Noir de carbone


Noir de carbone
Noir de carbone
Russvrp.jpg
Photographie réalisée au Microscopie électronique en transmission de noir de carbone obtenu à partir de la pyrolyse de charbon
Général
Synonymes C.I. 77266

C.I. Pigment Black 6

C.I. Pigment Black 7
No CAS 1333-86-4
No EINECS 215-609-9
No E E152
SMILES
InChI
Apparence sans odeur. granulés noirs ou poudre extremement fine[1].
Propriétés chimiques
Formule brute C  [Isomères]
Masse molaire[2] 12,0107 ± 0,0008 g·mol-1
C 100 %,
Propriétés physiques
T° fusion ca. 3 550 °C[1]
Solubilité dans l'eau : nulle[1]
Masse volumique 1,82,1 g·cm-3[1]
Précautions
Transport
-
   1361   
Classification du CIRC
Groupe 2B : Peut-être cancérogène pour l'homme[3]
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le noir de carbone (autrefois plutôt nommé « noir de fumée ») est une des formes amorphe et élémentaire du carbone, tel qu'il est présent dans les suies, ou sous forme de carbone colloïdal (contrairement au diamant et au graphite qui en sont des formes cristallines[4]). Il n'a pas d'odeur[4].
On appelle aujourd'hui noir de carbone les très petites particules de carbone, plus pures que celles trouvées dans la suie. C'est la forme de carbone élémentaire la plus répandue et utilisée[4]. Il est massivement produit par l'industrie pétrolière ou de la carbochimie (la capacité mondiale était de plus de 10 millions de tonnes en 2005[5]).

C'est l'un des polluants de l'air quand il est émis par les moteurs (diesels principalement), via les pots d'échappement, et par la combustion domestique. À l'horizon 2020, dans la région de la CEE, les petits appareils de chauffage des habitations deviendront la principale source d’émission de noir de carbone dans la plupart des pays et produiront à peu près la moitié des émissions totales ; cette tendance pourrait même s’accentuer si l’on préconise une combustion supplémentaire de la biomasse comme mesure de protection du climat[6]. Une partie est également perdue sur les routes avec l'usure des pneus.
Il est commercialisé pour certains usages, et alors fabriqué industriellement par combustion incomplète de produits pétroliers lourds (goudron, goudron de houille, goudron de craquage d'éthylène, et une petite quantité d'huile végétale).

Il se présente sous forme de minuscules sphères de carbone, et souvent sous forme d'agrégats de ces sphères et dont les dimensions sont généralement inférieures de 10 à 1 000 nm. C'est un produit peut être cancérigène qui est notamment utilisé comme « charge » et pigment dans les pneus auxquels il donne leur couleur noire (c'est 70 % environ de son usage).

Sommaire

Éléments de définition

Les anglophones distinguent clairement le black carbon (noir de carbone) et le carbon black (désignant plutôt la suie). Pour des raisons historiques, le noir de carbone a d'abord été considéré comme une forme de suie, ce qu'il n'est plus.

  • La suie, plus épaisse, plus hétérogène, et souvent grasse est formée par une combustion incomplète dans des conditions non contrôlées. Elle contient des taux de goudrons, de cendres et d'impuretés plus élevés (jusqu'à 50 % voire plus, extractibles par solvant[7],[8],[9]). Elle est produite par la combustion incomplète de fuel dans les moteurs diesel, et dans la fumée de feux de bois et charbon.
  • Le noir de carbone, plus homogène plus fin que la suie, et présentant des nodules dont la surface est plus lisse que les nodules trouvés dans la suie. Il est aujourd'hui produit en condition contrôlées pour répondre aux besoins industriels.
    L'IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) le définit comme comme étant « des particules, nodules ou agrégats ayant une dimension inférieure à 1 000 nm »[4]. Il est transformé en granules de 0,1 à 1 mm pour en faciliter la manipulation et réduire la formation de poussières toxiques.

Les noirs de carbone du commerce sont purs à 97-99 %, le reste étant constitué de traces de composés aromatiques (plus ou moins, selon le procédé de fabrication), d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et de soufre qui sont liés chimiquement au carbone. « L'oxygène est lié à leur surface, surtout sous forme de groupes fonctionnels acides ou basiques. La teneur en oxygène est de la plus haute importance pour les utilisations de ces produits » [4]. Les résidus aromatiques présents dans le noir de carbone sont des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP, généralement moins de 1 000 ppm dans le noir de carbone de qualité industrielle, et fortement liés au carbone, et donc a priori peu solubles dans les liquides physiologiques)[4]. Ils contiennent aussi des dérivés nitrés et soufrés de HAP[4].

Bien que la suie et le noir de carbone soient tous deux obtenus par décomposition thermique ou par combustion partielle de matières contenant du carbone, la suie se distingue du noir de carbone de plusieurs façons : elle est essentiellement un sous-produit indésirable de la combustion de sources multiples de carburants (bois, charbon, produits pétroliers), elle est obtenue sans procédé défini et sans contrôle de qualité (degré de pureté et régularité de la grosseur des particules). De plus, chimiquement, la suie contient un niveau de goudron et HAP plus élevé.

Impuretés détectées par les analyses de noir de carbone

Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) [10]

  • Acenaphthene
  • Acenaphthylene
  • Anthanthrene
  • Anthracene
  • Benz[a]acenaphthylene
  • Benz[a]anthracene
  • Benzo[b]fluoranthene
  • Benzo[ghi]fluoranthene
  • Benzo[j]fluoranthene
  • Benzo[k]fluoranthene
  • Benzo[a]pyrene
  • Benzo[e]pyrene
  • Benzo[ghi]perylene
  • Chrysene
  • Coronene
  • 4H-Cyclopenta[def]phenanthrene
  • Cyclopenta[cd]pyrene
  • Dibenz[a,h]anthracene
  • Fluoranthene
  • Fluorene
  • Indeno[1,2,3-cd]pyrene
  • Naphthalene
  • Perylene
  • Phenanthrene
  • Pyrene

Dérivés nitrés de HAP (nitro-PAHs) [11]

  • 1,3-Dinitropyrene
  • 1,6-Dinitropyrene
  • 1,8-Dinitropyrene
  • 9-Nitroanthracene
  • 3-Nitro-9-fluorenone
  • 1-Nitronaphthalene
  • 1-Nitropyrene
  • 1,3,6-Trinitropyrene
  • PAHs that contain sulfur
  • Benzo[def]dibenzothiophene
  • Dibenzothiophene
  • Phenanthro[4,5-bcd]thiophene
  • Triphenyleno[4,5-bcd]thiophene

Confusions possibles[4]

  • graphite naturel (natural graphite) [7782-42-5] ou synthétique (synthetic graphite) [pas de CAS]
  • Poudre de charbon de bois (charcoal powder) [16291-96-6]
  • poussières de charbon (coal dust) [53570-85-7]
  • poudre de charbon activé (activated charcoal) [64365-11-3] ou suractivé
  • noir animal (bone black) [8021-99-6]
  • suie (soot) [pas de CAS]
  • coke en poudre (coke powder) [7440-44-0]
  • coke de pétrole calciné (calcined coke (petroleum)) [64743-05-1]

Les propriétés physicochimiques et toxicologiques de chacun de ces produits leurs sont propres et diffèrent de celle du noir de charbon pur.

Fabrication

La production semi-industrielle du noir de carbone est ancienne (voir l'article noir de fumée.
Ouvrier d'une usine produisant du noir de carbone (début des années 1940)

Plusieurs méthodes de fabrication existent :

  • procédé furnace (au four),
  • procédé channel (de contact),
  • procédé lampblack (noir de fumée),
  • procédé noir d’acétylène,
  • procédé thermalv
  • procédé plasma (plus récent) [12].

Deux processus industriel majeures de fabrication co-existent :

  1. la décomposition thermique (incluant la détonation) de gaz naturel (produisant du "Noir thermique" (Thermal Black) de 150500 nm de diamètre) ou d'acétylène (produisant du "Noir d'acétylène" (Acetylene Black) de 3570 nm de diamètre)[4] ;
  2. la combustion incomplète de composés contenant carbone et hydrogène (hydrocarbures gazeux), par exemple des hydrocarbures de goudron (qui donnent le "Noir de fumée" (Lamp black), de 50100 nm de diamètre), alors que la combustion incomplète de Gaz naturel donnera le "Noir tunnel" (Channel Black) de plus fin (1030 nm) et que celle de Gaz naturel Liquide aromatique donnera le "Noir de fourneau" (Furnace Black) dont le diamètre particulaire est d'environ 10 à 80 nm [4]. Le procédé Furnace est le plus utilisé aujourd'hui.

Lorsqu'il s'agit de définir la grosseur des particules de noir de carbone, on constate que dans la documentation, qu'elles sont incorrectement identifiées comme étant des particules exceptionnellement petites, souvent définies comme étant ultrafines (plus petites que 0,1 μm ou 100 nm en diamètre aérodynamique). Lors du procédé de fabrication, les premières particules à se former dans le réacteur sont très petites et identifiées comme étant des nodules (nanoparticules d'environ 15 à 300 nm ou 0,015 à 0,300 μm). S'ensuit une séquence rapide d'élaboration d'une structure complexe à l'intérieur même du réacteur. Les nodules, presque sphériques, s'agglomèrent en agrégats (environ 85 à 500 nm) qui deviennent des structures de base indivisibles de noir de carbone. De plus, des forces électriques maintiennent des liens entre les agrégats eux-mêmes pour former des agglomérats (de 1 μm à plus de 100 μm) eux-mêmes formés de centaines à des milliers d'agrégats fortement unis entre eux. Le noir de carbone commercial est sous forme d'agglomérats, lesquels ne se fragmenteront pas en agrégats.

Usages

Plus de 35 types de noir de carbone de qualité différente sont commercialisés comme charge, essentiellement pour le caoutchouc, et environ 80 types différents sont vendus comme pigments ou pour des applications spéciales[4].
Le noir de carbone est utilisé[4] comme pigment ou dans la fabrication des encres (encre de Chine, papier carbone, Toner, etc.) mais sert également de charge dans certains matériaux (caoutchouc pour les pneus...) et dans certaines peintures, vernis, laques, plastiques, fibres, céramiques, émaux...
Il a été très utilisé dans le papier carbone et les rubans noirs de machine à écrire, puis dans les poudres électrostatiques noires de photocopieuses [4].

Le noir de carbone est aussi utilisé en laboratoire afin d'augmenter le point de fusion de certains produits en solution. De plus, cette substance est fréquemment utilisée dans les opérations de purification, car elle a la propriété d'absorber les impuretés colorées dissoutes et de fixer la matière en suspension, formant ainsi des agrégats d'impureté, facile à séparer par filtration.(Eddy Flamand et Jacques Bilodeau, Chmie organique: Expériences de laboratoire,2em édition corrigée, édition Modulo,2008)

Le noir de carbone est utilisé comme colorant alimentaire (E152)[13]

Un autre noir de carbone d'origine végétale (carbo medicinalis vegetalis) est également utilisé comme colorant alimentaire (E153)[14]. Pour cette utilisation est autorisé le charbon végétal produit par carbonisation de matières végétales telles que le bois, les résidus de cellulose, la tourbe, les noix de coco et d’autres enveloppes végétales.
Le noir de carbone est répertorié dans l'Inventaire Européen des Substances Chimiques Commerciales Existantes (EINECS) sous le numéro 215-609-9.

Contribution du noir de carbone au réchauffement climatique

Elle est double :

  • Le noir de carbone agit directement et fortement sur le climat. Selon la NASA et certains experts il serait le second responsable du réchauffement climatique après le dioxyde de carbone (CO2)[15],[16],[17],[18],[19], mais son impact pourrait peut-être avoir été surestimé en raison de la présence conjointe de carbone brun [20] qui peut fausser les mesures d'absorption de l'infrarouge.


La durée de vie du noir de carbone dans l'air étant extrêmement courte, de l'ordre de quelques semaines. C'est pour cette raison que la réduction de ses émissions est peut-être la manière la plus rapide de ralentir le réchauffement climatique à court terme[21],[22],[23]

  • Sa fabrication par le procédé furnace est responsable de l'émission annuelle de plus de 25 millions de tonnes de CO2 (et d'autres polluants dont le CO, NOx, SH2), avec un rendement de production médiocre (30 % environ, car la majorité du carbone contenu dans la matière première sert à apporter, par combustion, l’énergie nécessaire au craquage de la fraction restante. De plus, la production est limitée par la température de réaction du procédé (quand on augmente la quantité d’oxygène dans le milieu, la température augmente et le rendement final chute, car l'excès d’oxygène produit une réaction de combustion complète de l’hydrocarbure, qui aboutit seulement à produire CO2 et de l’eau [24].

Les pays développés ont commencé à réduire leurs émissions de noir de carbone depuis les années cinquante par l'adoption de mesures antipollution[25].
Les États-Unis émettent 6,1 % du noir de carbone mondial. Aujourd'hui, la majorité du noir de carbone est issue des pays en développement[26] et cela devrait s'accroitre. Les plus grands contributeurs sont l'Asie, l'Amérique latine et l'Afrique[27]. La Chine et l'Inde sont responsables de 25 à 35 % des émissions mondiales[28].

Une alternative étudiée est le procédé plasma (craquage thermique d’hydrocarbures par plasma, résumé par la formule CnHm + énergie électrique → n C + m/2 H2). ce procédé ne produit pas de CO2, et en outre produit de l'hydrogène valorisable. Mais il consomme de l'électricité. Il sera propre, si la source d'électricité est écologique[24].

Santé et environnement

Il pose des problèmes de santé environnementale car il est inodore, et « la VEMP de 3,5 mg/m3 peut facilement être atteinte en milieu de travail si des manipulations ou des opérations mécaniques génèrent un nuage de poudres ou de poussières. Cependant, la valeur de DIVS de 1 750 mg/m3 (valeur qui représente 500 fois la VEMP) ne devrait pas être facilement atteinte en milieu de travail. De plus, étant potentiellement explosible, il n'y a pas seulement la VEMP et la valeur de DIVS qui doivent être considérées comme concentration dangereuse dans l'air en milieu de travail. En effet, il y a peu de données dans la documentation mais pour deux types de noir de carbone, la LIE dans l'air est de 50 g/m3 (noir de fourneau) et 375 g/m3 (noir thermique) lorsque soumis à une source d'ignition hautement énergétique (> 1 kJ). Cette concentration représente plus de 50 000 fois la VEMP. Notons que ce niveau de concentration et cette source d'ignition hautement énergétique sont rarement rencontrés en milieu de travail » [4]. Il pourrait agir en synergie avec d'autres polluants comme l'Ozone troposphérique[29].

Sa toxicité varie selon le diamètre et la quantité des particules en suspension dans l'air (l'inhalation est première voie de contamination) : « Comme les particules de noir de carbone sont généralement très petites et qu'elles forment des agrégats ou des agglomérats de 85 à plus de 1 000 nm (0,085 à plus de 1 μm) de diamètre, une grande partie de celles-ci se retrouvera dans les alvéoles » [4] ;

  • les particules de moins de 1 μm (micromètre) peuvent pénétrer profondément dans les alvéoles pulmonaires ;
  • les particules de 1 à 5 μm sont normalement interceptées par le mucus de la trachée, des bronches mais pénètrent jusqu'aux bronchioles ;
  • les particules de 5 à 30 μm sont plutôt stoppées dans le nez et la gorge ou le pharynx ;
  • les très grosses particules (> 30 μm) ne pénètrent que rarement les voies respiratoires supérieures.

La ventilation (avec filtration si possible) ou le port d'un masque ou autre appareil de protection respiratoire permettent de réduire les risques pour la santé au travail[4].

C'est un irritant mécanique (sans être absorbé) pour les yeux et les voies respiratoires[4]. Chez le rat, en cas d'inhalation prolongée, il « entraînera une inflammation chronique et débalancera de façon irréversible la clairance pulmonaire provoquant une déposition de particules dans l'espace interstitiel des alvéoles »[4]. Ces effets n'ont pas été observés chez d'autres espèces de laboratoire (souris, hamsters, cochons d'Inde et singes), le rat pourrait donc être plus sensible que d'autres mammifères au noir de carbone. Ce denier serait moins toxique que les suies. Les effets fréquemment rapportés sont la toux, le phlegme et la bronchite chronique, lors d'exposition à de fortes concentrations, comme ce serait le cas pour toute poussières inorganiques inerte, ou peu toxique et peu soluble. Des problèmes dermatologiques (incrustation de particules dans la peau) ont été rapportées suite à l'exposition de peau (non protégée) aux au noir de fumée (lampblack).

Bien que sans preuve de cancérogénicité pour l'homme, ce produit est considéré par le CIRC comme « peut-être cancérogène pour l'homme » ; il a été évalué par le CIRC (première évaluation publié en 1996) en situation de fabrication ou d'utilisation. Les études américaines et européennes disponibles (incluant des études de cas-témoins et cohortes contenaient de faibles niveaux de preuves et des résultats contradictoires donc insuffisant chez l'homme[4]. En laboratoire seule le rat femelle (mais pas les souris) s'y montre significativement plus sensible, avec « incidence accrue de tumeurs bénignes et malignes » (le dioxyde de titane, le talc non amiantiforme inhalé en forte quantité à les mêmes effets). En injection sous-cutanée, un noir de carbone contenant des quantités détectables d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) a induit des sarcomes au site d'injection, contrairement aux études faites sans HAP détectables[4]. L'ACGIH (1996) l'a désigné comme "non classifiable comme cancérogène pour l'homme"[4].
Les données épidémiologiques ou toxicologiques disponibles sont insuffisante pour évaluer un éventuel effet mutagène[4].

Dose létale 50 et concentration létale 50 (pour les données disponibles en 1996)[4].

  • DL50 (Orale) pour le Rat : > 15,4 g·kg-1
  • DL50 (Cutanée) pour le Lapin  : > 3 g·kg-1

Notes et références

  1. a, b, c et d NOIR DE CARBONE, fiche de sécurité du Programme International sur la Sécurité des Substances Chimiques, consultée le 9 mai 2009
  2. Masse molaire calculée d’après Atomic weights of the elements 2007 sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, « Evaluations Globales de la Cancérogénicité pour l'Homme, Groupe 2B : Peut-être cancérogènes pour l'homme » sur http://monographs.iarc.fr, CIRC, 16 janvier 2009. Consulté le 22 août 2009
  4. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u, v et w Fiche Reptox (Base de donnée toxicologique, Canada)
  5. Auchter JF (2005). Chemical Economics Handbook: Carbon Black, Menlo Park, CA, SRI Consulting.
  6. (pdf) Noir de carbone, Conseil économique et social des Nations unies, voir notamment les pages 13 et 15.
  7. European Committee for Biological Effects of Carbon Black (1982). A comparative Study of Soot and Carbon Black (Bulletin No. 2, January), Boston, MA, Cabot Corp.
  8. Voll M, Kleinschmit P (2002). Carbon. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, New York, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
  9. Wang MJ, Gray CA, Reznek SA et al. (2003). Carbon black. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, New York, John Wiley & Sons, Vol 4, p 761–803.
  10. Voir aussi IARC, 1984, 2010
  11. Voir aussi IARC, 1987
  12. name=These2006/
  13. Codex alimentarius, « Noms de catégorie et système international de numérotation des additifs alimentaires » sur http://www.codexalimentarius.net, 2009. Consulté le 10 mai 2010
  14. [PDF] Commission des Communautés européennes, « Directive 95/45/CE établissant des critères de pureté spécifiques pour les colorants pouvant être utilisés dans les denrées alimentaires », dans Journal Officiel, no L 226, 22/09/1995, p. 1-42 [texte intégral (page consultée le 09/07/2008.)] 
  15. Bond, T. C. and H. Sun. 2005. “Can reducing black carbon emissions counteract global warming?” Environmental Science and Technology 39:5921–5926.
  16. Bond, T. C. 2007b. Testimony for the Hearing on Black Carbon and Climate Change, House Committee on Oversight and Government Reform.
  17. Bond, T. C., E. Bhardwaj, R. Dong, R. Jogani, S. Jung, C. Roden, D.G. Streets, S. Fernandes, and N. Trautmann. 2007. “Historical emissions of black and organic carbon aerosol from energy-related combustion, 1850-2000.” Global Biogeochemical Cycles 21:GB2018.
  18. Bond, T. C. 2008. Targeting black carbon for climate reasons: what do we know about emissions, and is it enough to get started? Presentation to Princeton University Woodrow Wilson School 59e Policy Workshop. Princeton, NJ.
  19. Bond, T. C. 2009. Black carbon: Emission sources & prioritization. Presentation to the ICCT Black Carbon Workshop, London, U.K. See http://www.theicct.org/documents/Bond_2009.pdf.
  20. Andreae, M. O. and A. Geleneser. 2006. “Black carbon or brown carbon ? The nature of light-absorbing carbonaceous aerosols.” Atmospheric Chemistry and Physics 6:3131–3148 (Résumé).
  21. "Third-World Stove Soot Is Target in Climate Fight" article by Elizabeth Rosenthal in The New York Times April 15, 2009
  22. Barton, R. E., Montgomery, W. D., and S. D. Tuladhar. 2009. “An Analysis of Black Carbon Mitigation as a Response to Climate Change.” CRA International Washington DC for Copenhagen Consensus Center.
  23. Bluestein, J., J. Rackley, and E. Baum. 2008. Sources and Mitigation Opportunities to Reduce Emissions of Short-term Arctic Climate Forcers, AMAP Tehnical Report No. 2. Arctic Monitoring and Assessment Proggramme, Oslo, Norway.
  24. a et b SYNTHESE EN PHASE GAZEUSE DE NANOPARTICULES DE CARBONE PAR PLASMA HORS EQUILIBRE Thèse de doctorat de M Moreno, Ecole des mines de Paris, 15 décembre 2006
  25. V. Ramanathan and G. Carmichael, Global and regional climate changes due to black carbon, 1 NATURE GEOSCIENCE 221-22 (23 March 2008), at 221 (“Until about the 1950s, North America and Western Europe were the major sources of soot emissions, but now developing nations in the tropics and East Asia are the major source problem”)
  26. Tami Bond, Testimony for the Hearing on Black Carbon and Climate Change, U.S. House Committee on Oversight and Government Reform 2-3 (October 18, 2007), available at http://oversight.house.gov/documents/20071018110647.pdf
  27. Tami Bond, Summary: Aerosols, Air Pollution as a Climate Forcing: A Workshop, Honolulu, Hawaii, April 29-May 3, 2002, available at http://www.giss.nasa.gov/meetings/pollution2002/
  28. V. Ramanathan & G. Carmichael, supra, at 226
  29. Anenberg, S. C., J. J. West, L. W. Horowitz, and D. Q. Tong. 2009. “The global burden of anthropogenic ozone and fine particulate matter on premature human mortality.” Environmental Health Perspectives, submitted.

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

  • Bice, K., A. Eil, B. Habib, P. Heijmans, R. Kopp, J. Nogues, F. Norcross, M. Sweitzer-Hamilton, and A. Whitworth. 2008. Black Carbon: A Review and Policy Recommendations.” Woodrow Wilson School of Public & International Affairs. Princeton University. See http://www.wws.princeton.edu/research/PWReports/F08/wws591e.pdf. Accessed 8/2009.
  • IARC, AIARC, IARCS Monographs, Vol 93 (PDF)
  • Weitz, K.A., M. A. Bahner, A. Zapata, and B. DeAngelo. 2009. “Analysis of U.S. Black Carbon and Organic Carbon Inventories through 2020, and Emission Mitigation Measures Beyond 2020.” Draft RTI Report to EPA.
  • Yang, F., K. He, B. Ye, X. Chen, L. Cha, S. H. Cadle, T. Chan, and P. A. Mulawa. 2005. “One-year record of organic and elemental carbon in fine particles in downtown Beijing and Shanghai.” Atmospheric Chemistry and Physics 5:1449–1457.
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  • Zhang., J. and K. R. Smith. 2007. “Household Air Pollution from Coal and Biomass Fuels in China: Measurements, Health Impacts, and Interventions.” Environmental Health Perspectives 115(6):848-855.

Liens externes




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