Pukotina koda na formiranje čađe - znanstvenici otključavaju tajnu kako bi se smanjila opasna emisija

105RS - Geni iz postanja (Srpanj 2019).

Anonim

Dugogodišnje otajstvo tvorbe čađe, koju znanstvenici izgaranja pokušavaju objasniti desetljećima, čini se konačno riješen zahvaljujući istraživanjima koju vode Sandia National Laboratories.

Zrno je sveprisutno i ima velike štetne posljedice na ljudsko zdravlje, poljoprivredu, uštedu energije, klimu i kakvoću zraka. Odgovorni za značajno povećane stope kardiovaskularnih i plućnih bolesti i povezanih smrtnih slučajeva, čađa također pridonosi milijunima smrtnih slučajeva širom svijeta godišnje, uglavnom od kuhanja i grijanja u zatvorenom prostoru u zemljama u razvoju. To dovodi do desetaka tisuća smrtnih slučajeva u SAD-u svake godine, pretežno od antropogenih emisija do atmosfere. U atmosferskim emisijama čađe poznat je kao crni ugljik.

"Razumijevajući tvorbu čađe, imamo veće šanse da možemo smanjiti svoje opasne emisije iz motora, šumskih požara i kuhati peći i kontrolirati njegovu proizvodnju i karakteristike tijekom industrijskih procesa", rekao je istraživač Sandia Hope Michelsen, dodajući kako svi znaju što čađa je, ali nitko nije mogao objasniti kako plinovite molekule goriva postaju čestice čađe.

Rekla je da se formacije čađe pokazuju vrlo različitim od tipičnog procesa molekula plina koji se kondenziraju u čestice, umjesto da zahtijevaju brzu kemijsku reakciju, a ne kondenzaciju.

Otopina se također može primijeniti i na druge visoke temperature, kao što je međuzvjezdani prostor, gdje se stvaraju velike količine čestica ugljik-prašine, rekla je.

Ovo je prijelomno djelo objavljeno u časopisu Science magazine, "Reakcije ugljikovodika stabilizirane rezonancijom mogu objasniti početak i rast zrna". Autori su Sandia istraživači Michelsen, Olof Johansson i Paul Schrader; Kevin Wilson iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley; i Martin Head-Gordon s Kalifornijskog sveučilišta, Berkeley i Lawrence Berkeley National Lab.

Rad financirao je Odjel za energetiku Zavoda za energetiku. "Rad predstavlja ogroman znanstveni uspjeh kao rezultat dugogodišnje podrške za usmjereni, sustavni rad na razvoju temeljnog razumijevanja kemije ugljikovodika visoke temperature", rekao je Michelsen.

Ispitana je formacija čađe

Zora nastaje tijekom sagorijevanja ugljikovodičnih goriva, kao što su nafta, prirodni plin i drvo. Iako ima štetne učinke na zdravlje i okoliš, čađa je izuzetno važna za mnoge industrijske procese, kao što su izvedba kotla, proizvodnja stakla i proizvodnja čađe za proizvodnju gumenih proizvoda i pigmenata.

Unatoč sveprisutnosti i važnosti čađe, osnovna kemija koja objašnjava zašto se molekule u plamenu drže zajedno na visokim temperaturama i česticama čestica, do sada je ostala znanstvena zagonetka, rekao je Michelsen.

U svom konačnom obliku, čađa je čvrsta, vrlo slična grafitu, ali je u početku formirana od plinovitih ugljikovodika. Eksperimentalni dokazi upućuju na to da prelazi iz plina u tekućinu prije nego što postane krutina. Znanstvenici su desetljećima pokušavali objasniti taj prijelaz. "Većina ljudi je upoznata s time kako se plinovita faza vodene i vodene pare kondenzira u kapljicama kada se ohladi, a dalje hlađenje pretvorit će ga u led, čvrstu fazu vode." Soot je drugačiji ", rekao je Michelsen.

Čestice čađe nastaju kada se plinovite molekule grije do visokih temperatura, a oni se ne mogu lako vratiti na plinovite molekule na način na koji kapljice vode vrše kada se zagrije. Čvrste kemijske veze drže čestice čađe zajedno. "Čađanje je više poput pečenja kolača nego što je kondenzatorska voda. Tekuća kolača za grijanje na visoke temperature pretvara ga u stabilnu čvrstu formu", objasnio je Michelsen.

Znanstvenici su već dugo sumnuli da se moraju stvoriti kemijske veze kako bi stvorile čađu. Međutim, nastajanje čađe je brz, a istraživači nisu razumjeli kako bi se potrebne kemijske veze mogle tako brzo oblikovati. Da bi problem postao teži, istraživači nisu ni bili sigurni koje su molekule plinske faze bile uključene u proizvodnju čađe.

"Vrlo je teško napraviti mjerenja u plamenu", rekao je Michelsen, "i bez mjerenja molekularne vrste koja sudjeluje, to je kao da pokušavamo shvatiti kako se kolač proizvodi bez poznavanja sastojaka."

Proučavane su radikalne vrste plamena

Ključ za stvaranje čađe, ispostavlja se, radikali koji su stabilizirani rezonancijom, rekao je Johansson. Općenito, molekule koje su radikale imaju nesparene elektrone koje žele dijeliti, što ih čini reaktivnim. Ali, za razliku od većine radikala, ti radikali stabilizirani rezonancijom imaju nesparene elektrone koji sudjeluju u drugim vezama u molekuli. Dijeljenje gustoće elektrona između nesparenih elektrona i drugih veza u molekuli čini ove radikale stabilnije od ostalih radikala, ali ipak su više reaktivni od većine drugih velikih molekula koje stvaraju čađu. Mjerenja provedena na Naprednom izvoru svjetlosti u Laboratoriju Lawrence Berkeley pokazala su niz tih radikalnih vrsta u svim proučavanim plamenom. Michelsen je rekao da su drugi istraživači vidjeli te radikale i pomislili da bi mogli biti uključeni u formiranje čađe, ali nije im bilo dovoljno da budu glavni pokretači.

"Shvatili smo da ti radikali mogu započeti lančanu reakciju", rekao je Michelsen.

Kad ovi radikali reagiraju s drugim molekulama, lako mogu formirati nove radikale stabilizirane rezonancijama. U tom procesu reagiraju s drugim plinovitim ugljikovodicima i održavaju rastući, regenerirajući radikali kao dio rastuće čestice.

Johansson je objasnio: "Izrađivali smo izračune kako bismo pokazali da se taj proces mora dogoditi brzo."

"To je stvarno prilično jednostavno, dobro … kad jednom znate odgovor", rekao je Michelsen. "Kemijski mehanizam je relevantan za mnoge postupke visoke temperature, uključujući stvaranje čestica međuzvjezdane prašine koja prožima našu galaksiju. Vrlo smo uzbuđeni zbog otključavanja tajne stvaranja čađe, stvaranja čestica ugljika koji su trenutno prevladavajući neke dijelove svijeta kao rezultat šumskih požara i koji mogu imati takav razorni učinak na ljudsko zdravlje ".

Profesor William Green iz Instituta za tehnologiju Massachusetts izjavio je kako je već dugo nagađalo da putevi koji uključuju rezonantno stabilizirane radikale mogu biti važni za policiklički aromatski ugljikovodik (PAH) i stvaranje čađe, budući da poznate reakcije nisu dovoljno brzo za objašnjenje brzog stvaranja čađe.

"Doista su poznate neke specifične reakcije resonantno stabiliziranih radikala koji vode do PAH-a, ali do sada nitko nije predstavio uvjerljivi opći mehanizam podržan eksperimentalnim opažanjima", rekao je Green. "Radujem se uključivanju ovih novootkrivenih reakcijskih putova u sveobuhvatni mehanizam stvaranja PAH-a, kako bi odredio raspon reakcijskih uvjeta gdje su ti novootkriveni putovi važni".

menu
menu