Pękanie kodu do powstawania sadzy - naukowcy odkrywają tajemnicę, aby zmniejszyć emisję szkodliwych substancji

Usuwanie odcisków plastrem na odciski Jak usunąć odciski na stopie? (Lipiec 2019).

Anonim

Długa tajemnica powstawania sadzy, którą naukowcy zajmujący się spalaniem próbowali wytłumaczyć od dziesięcioleci, wydaje się być ostatecznie rozwiązana dzięki badaniom przeprowadzonym przez Sandia National Laboratories.

Sadza jest wszechobecna i ma duży szkodliwy wpływ na zdrowie ludzi, rolnictwo, efektywność energetyczną, klimat i jakość powietrza. Odpowiedzialny za znacznie zwiększoną liczbę chorób sercowo-naczyniowych i płucnych oraz związanych z tym zgonów, sadza przyczynia się również do milionów zgonów na całym świecie rocznie, w dużej mierze z gotowania i ogrzewania w krajach rozwijających się. Prowadzi to do dziesiątków tysięcy zgonów w USA każdego roku, głównie z powodu emisji antropogenicznych do atmosfery. W atmosferze emisji sadzy znane są jako czarny węgiel.

"Rozumiejąc powstawanie sadzy, mamy większą szansę na ograniczenie niebezpiecznej emisji z silników, pożarów lasów i pieców kuchennych oraz kontrolowanie jej produkcji i charakterystyk podczas procesów przemysłowych" - powiedziała Hope Michelsen, badaczka z Sandii, dodając, że każdy wie, co to jest sadza, ale nikt nie był w stanie wyjaśnić, w jaki sposób gazowe cząsteczki paliwa stają się cząstkami sadzy.

Powiedziała, że ​​powstawanie sadzy okazuje się być bardzo różne od typowego procesu, w którym cząsteczki gazu kondensują się w cząstkę, zamiast tego wymagają szybkich reakcji chemicznych zamiast kondensacji.

Rozwiązanie to może również odnosić się do innych warunków wysokotemperaturowych, takich jak przestrzeń międzygwiezdna, w której powstają duże ilości cząstek pyłu węglowego - powiedziała.

Ta przełomowa praca została opublikowana w czasopiśmie " Science ", "Reakcje łańcuchów węglowodorowych stabilizowane rezonansem mogą wyjaśniać powstawanie i wzrost sadzy". Autorzy to Sandia, badacze Michelsen, Olof Johansson i Paul Schrader; Kevin Wilson z Lawrence Berkeley National Laboratory; i Martin Head-Gordon z University of California, Berkeley i Lawrence Berkeley National Lab.

Praca została sfinansowana przez Biuro Energii Podstawowej Departamentu Energii. "Praca stanowi ogromny sukces naukowy w wyniku wieloletniego wsparcia ukierunkowanych, systematycznych prac nad opracowaniem podstawowej wiedzy na temat chemii węglowodorów wysokotemperaturowych" - powiedział Michelsen.

Badano formowanie się sadzy

Sadza powstaje podczas spalania paliw węglowodorowych, takich jak ropa naftowa, gaz ziemny i drewno. Chociaż ma szkodliwe działanie na zdrowie i środowisko, sadza jest niezwykle ważna dla wielu procesów przemysłowych, takich jak wydajność kotła, produkcja szkła i generowanie sadzy dla wzmocnienia gumy i pigmentów.

Pomimo wszechobecności i znaczenia sadzy, podstawowa chemia wyjaśniająca dlaczego cząsteczki w płomieniu sklejają się w wysokich temperaturach i tworzą cząstki do tej pory pozostała zagadką naukową, powiedział Michelsen.

W swojej ostatecznej postaci sadza jest ciałem stałym bardzo podobnym do grafitu, ale początkowo powstaje z gazowych węglowodorów. Dowody eksperymentalne wskazują, że przechodzi on z gazu w ciecz, zanim stanie się ciałem stałym. Naukowcy od dziesięcioleci próbują wyjaśnić tę zmianę. "Większość ludzi wie, w jaki sposób faza gazowa pary wodnej i wodnej skrapla się w krople, gdy się ochładza, a dalsze chłodzenie zamienia ją w lód, stałą fazę wody, Sadza jest inna" - mówi Michelsen.

Cząstki sadzy powstają, gdy cząsteczki gazowe są podgrzewane do wysokich temperatur i nie łatwo zawracają z powrotem do cząsteczek gazowych w taki sposób, w jaki robią to kropelki wody po podgrzaniu. Silne wiązania chemiczne utrzymują razem cząsteczki sadzy. "Wytwarzanie sadzy przypomina pieczenie ciasta, a nie jak kondensowanie wody, płynne ciasto do wysokiej temperatury zamienia je w stabilną, stałą formę" - wyjaśnia Michelsen.

Naukowcy od dawna podejrzewali, że w celu wytworzenia sadzy należy uformować wiązania chemiczne. Jednak tworzenie się sadzy jest szybkie, a naukowcy nie rozumieli, jak wymagane wiązania chemiczne mogą powstawać tak szybko. Aby problem był jeszcze trudniejszy, badacze nie byli nawet pewni, które cząsteczki fazy gazowej zaangażowały się w produkcję sadzy.

"Bardzo trudno jest dokonać pomiarów w płomieniu", powiedział Michelsen, "i bez pomiarów uczestniczących gatunków molekularnych, to tak, jakby próbować dowiedzieć się, jak powstaje ciasto bez znajomości składników."

Badano radykalne gatunki płomieni

Jak się okazało, kluczem do powstawania sadzy są rodniki stabilizowane rezonansem - powiedział Johansson. Ogólnie rzecz biorąc, cząsteczki będące rodnikami mają niesparowane elektrony, którymi chcą się dzielić, co czyni je reaktywnymi. Ale, w przeciwieństwie do większości rodników, te reaktywne względem rezonansu rodniki mają niesparowane elektrony, które uczestniczą w innych wiązaniach w cząsteczce. Współdzielenie gęstości elektronowej pomiędzy niesparowanymi elektronami i innymi wiązaniami w cząsteczce powoduje, że te rodniki są bardziej stabilne niż inne rodniki, ale mimo to są bardziej reaktywne niż większość innych dużych cząsteczek tworzących sadzę. Pomiary przeprowadzone w Advanced Light Source w Laboratorium Lawrence Berkeley pokazały sekwencję tych radykalnych gatunków we wszystkich badanych płomieniach. Michelsen powiedział, że inni badacze widzieli te rodniki i myśleli, że mogą być zaangażowani w tworzenie sadzy, ale wydaje się, że nie ma ich wystarczająco dużo, aby być głównym kierowcą.

"Doszliśmy do wniosku, że ci radykałowie mogą rozpocząć reakcję łańcuchową" - mówi Michelsen.

Kiedy te rodniki reagują z innymi cząsteczkami, mogą łatwo tworzyć nowe rezonansowe rodniki stabilizowane. W procesie tym reagują z innymi gazowymi węglowodorami i utrzymują wzrost, regenerując rodniki jako część rosnącej cząstki.

Johansson wyjaśnił: "Przeprowadziliśmy obliczenia, aby wykazać, że proces ten powinien nastąpić szybko".

"To naprawdę bardzo proste, dobrze … kiedy już znasz odpowiedź, " powiedziała Michelsen. "Mechanizm chemiczny ma znaczenie dla wielu procesów wysokotemperaturowych, w tym powstawania cząstek pyłów międzygwiezdnych, które przenikają naszą galaktykę Jesteśmy bardzo podekscytowani faktem, że udało nam się odkryć tajemnicę powstawania sadzy, tworzenie cząsteczek węgla, które są obecnie przytłaczanie niektórych części świata w wyniku pożarów lasów i które mogą mieć tak niszczący wpływ na ludzkie zdrowie. "

Massachusetts Institute of Technology, profesor William Green, powiedział, że od dawna spekuluje się, że szlaki zawierające rezonansowo stabilizowane rodniki mogą być ważne w wielopierścieniowych węglowodórach aromatycznych (PAH) i powstawaniu sadzy, ponieważ znane reakcje nie są wystarczająco szybkie, aby wyjaśnić szybkie tworzenie się sadzy.

"Rzeczywiście, znanych jest kilka specyficznych reakcji rezonansowo stabilizowanych rodników prowadzących do PAH, ale do tej pory nikt nie przedstawił przekonującego ogólnego mechanizmu wspieranego przez obserwacje eksperymentalne", powiedział Green. "Z niecierpliwością czekam na włączenie tych nowo odkrytych ścieżek reakcji do wszechstronnego mechanizmu powstawania PAH, aby określić zakres warunków reakcji, w których te nowo odkryte ścieżki są ważne."

menu
menu