Koodin halkeaminen nokiprofiiliin - tiedemiehet avaavat mysteerin vähentääkseen vaarallisia päästöjä

Anonim

Nallenmuodostuksen pitkäaikainen mysteeri, jota polttouunitut tutkijat ovat yrittäneet selittää vuosikymmeniä, näyttäisi lopulta ratkaistu Sandia National Laboratoriesin johtaman tutkimuksen ansiosta.

Soot on läsnä kaikkialla ja sillä on suuria haitallisia vaikutuksia ihmisten terveyteen, maatalouteen, energian kulutukseen, ilmastoon ja ilmanlaatuun. Vastuu merkittävästi lisääntyneistä sydän- ja keuhkosairauksista ja niihin liittyvistä kuolemantapauksista noki edistää myös miljoonia kuolemia maailmanlaajuisesti vuosittain, pääasiassa sisäkäyttöön ja lämmitykseen kehitysmaissa. Se johtaa vuosittain kymmeniin tuhansiin kuolemaan Yhdysvalloissa, pääasiassa ihmisen aiheuttamilta päästöiltä ilmakehään. Ilmakehän hiilidioksidipäästöissä tunnetaan musta hiili.

"Ymmärtämällä yrttien muodostumista meillä on paremmat mahdollisuudet vähentää moottoreiden, metsäpalojen ja keittovesien vaarallisia päästöjä ja kontrolloida sen tuotantoa ja ominaisuuksia teollisissa prosesseissa", sanoo Sandia-tutkija Hope Michelsen ja lisää, että kaikki tietävät, mitä nokea on, mutta kukaan ei ole pystynyt selittämään, miten kaasumaiset polttoaine-molekyylit tulevat hiukkasiksi.

Hän sanoi, että nokkamallin muodostuminen eroaa tyypillisestä hiukkasista kondensoituvista kaasumolekyyleistä, vaan vaatii nopeita kemiallisia reaktioita kondensaation sijaan.

Ratkaisu voi koskea myös muita korkean lämpötilan olosuhteita, kuten tähtienvälistä tilaa, jossa muodostuu suuria määriä hiilipölyhiukkasia, hän sanoi.

Tämä uraauurtava teos julkaistiin Science- aikakauslehtipapereessa, jonka mukaan "resonanssilla stabiloidut hiilivetyketjun reaktiot voivat selittää nokia ja kasvua." Tekijöitä ovat Sandian tutkijat Michelsen, Olof Johansson ja Paul Schrader; Kevin Wilson Lawrence Berkeleyn kansallislaboratorio; ja Martin Head-Gordon Kalifornian yliopistosta, Berkeley ja Lawrence Berkeley National Lab.

Työn rahoitti Energia-laitoksen energian perusopetuksen toimisto. "Työskentely on valtava tieteellinen menestys, koska vuosien tuki on kohdennettu ja järjestelmällinen työ korkean lämpötilan hiilivetyjen kemian perustavanlaatuisen ymmärryksen kehittämiseksi", Michelsen sanoo.

Nollanmuodostus tutkittiin

Hiilivetypolttoaineiden, kuten öljyn, maakaasun ja puun polttamisen aikana muodostuu noki. Vaikka se aiheuttaa haitallisia terveysvaikutuksia ja ympäristövaikutuksia, noki on äärimmäisen tärkeä monille teollisille prosesseille, kuten kattilan suorituskyvylle, lasinvalmistukselle ja hiilimustan tuotannolle kumituotteiden vahvistamiseen ja pigmentteihin.

Huolimatta nokea ja tärkeydestä, peruskemia, joka selittää, miksi molekyylit liekissä pysyvät yhdessä korkeissa lämpötiloissa ja muodostavat hiukkasia, on pysynyt tieteelliseksi palapeliksi tähän asti, sanoo Michelsen.

Viimeisessä muodossaan nokea on kiinteä aine, joka on hyvin samanlainen kuin grafiitti, mutta se muodostuu alun perin kaasumaisista hiilivedyistä. Kokeelliset todisteet osoittavat, että se siirtyy kaasusta nesteeseen ennen kuin se tulee kiinteäksi. Tutkijat ovat yrittäneet vuosikymmeniä selvittämään siirtymistä. "Useimmat ihmiset tuntevat, miten vesi-vesihöyryn kaasufaasi tiivistyy pisaroiksi, kun se jäähtyy, ja jäähdyttäminen edelleen muuttaa sen jääksi, kiinteäksi veteen." Soot on erilainen ", Michelsen sanoo.

Nielemishiukkasia muodostuu, kun kaasumolekyylit kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin, eivätkä ne helposti palaa takaisin kaasumaisiin molekyyleihin kuten vesipisarat tekevät, kun niitä kuumennetaan. Vahvat kemialliset sidokset pitävät nokipartikkeleita yhdessä. "Nokottaminen on pikemminkin kuin leivonta kakku kuin kondensoituva vesi. Lämmityskakku taikina korkeisiin lämpötiloihin muuttaa sen vakaana kiinteä muoto", kertoi Michelsen.

Tutkijat ovat pitkään epäiltyjä, että kemiallisia sidoksia on muodostettava noki. Nokojen muodostuminen on kuitenkin nopeaa, ja tutkijat eivät ymmärtäneet, miten vaaditut kemialliset sidokset voivat muodostua niin nopeasti. Jotta ongelma vaikeutuu entisestään, tutkijat eivät olleet edes varma, mitkä kaasufaasimolekyylit osallistuivat nokea tuottamaan.

"On erittäin vaikeaa tehdä mittauksia liekissä", sanoi Michelsen, "ja ilman osallistuvien molekyylien mittaamista se on kuin yrittää selvittää, miten kakku valmistetaan tietämättä ainesosia."

Tutkittuja liekkien radikaaleja lajeja

Avain nokojen muodostumiselle, käy ilmi, on resonanssista stabiloituja radikaaleja, Johansson sanoi. Yleensä molekyylit, jotka ovat radikaaleja, ovat parittomia elektroneja, joita he haluavat jakaa, mikä tekee niistä reaktiivisia. Mutta toisin kuin useimmat radikaalit, näillä resonanssilla stabiloiduilla radikaaleilla on parittomia elektroneja, jotka osallistuvat molekyylin muihin sitoutumisiin. Elektronisen tiheyden jakaminen molekyylin parittomien elektronien ja muiden sidosten välillä tekee näistä radikaaleista vakaampia kuin muut radikaalit, mutta silti ne ovat reaktiivisempia kuin useimmat muut suuret molekyylit, jotka muodostavat nokea. Lawrence Berkeley Lab: n kehittyneessä valolähteessä tehdyt mittaukset osoittivat näiden radikaalien lajien sarjan kaikissa tutkituissa liekeissä. Michelsen sanoi, että muut tutkijat olivat nähneet näitä radikaaleja ja ajattelivat, että he voisivat olla mukana nokimustossa, mutta ei näyttänyt olevan riittävästi heitä tärkeimpänä kuljettajana.

"Uskoimme, että nämä radikaalit voivat aloittaa ketjureaktion", sanoi Michelsen.

Kun nämä radikaalit reagoivat muiden molekyylien kanssa, ne voivat helposti muodostaa uusia resonanssin stabiloituja radikaaleja. Menetelmässä ne reagoivat muiden kaasumaisten hiilivetyjen kanssa ja jatkavat kasvuaan ja regeneroivat radikaaleja osana kasvavaa partikkelia.

Johansson selitti, "Teimme laskelmia osoittaaksemme tämän prosessin tapahtuvan nopeasti."

"Se on todella yksinkertaista, hyvin … kun tiedät vastauksen", Michelsen sanoi. "Kemiallinen mekanismi on merkityksellinen useille korkean lämpötilan prosesseille, mukaan lukien tähtienvälisten pölyhiukkasten muodostuminen, joka läpäisee galaksimme. Olemme erittäin innoissamme siitä, että olemme lukittaneet noki-muodon mysteerin, luomalla tällä hetkellä hiilihiukkasia ylivoimainen osa metsämaiden tulipaloista ja jolla voi olla niin tuhoisa vaikutus ihmisten terveyteen. "

Massachusetts Institute of Technology professori William Green sanoi, että on pitkään ajateltu, että resonanssiabiloidut radikaalit sisältävät polysyklisiä aromaattisia hiilivetyjä (PAH) ja nokojen muodostumista, koska tunnetut reaktiot eivät ole riittävän nopeita selittämään nokojen nopeaa muodostumista.

"Todellakin tunnetaan muutamia resonanssibiloituneita radikaaleja, jotka johtavat PAH: hon, mutta tähän mennessä kukaan ei ole esittänyt vakuuttavaa yleistä mekanismia, jota kokeelliset havainnot tukevat, " Green sanoi. "Odotan innokkaasti sisällyttämällä nämä äskettäin löydetyt reaktioväylät kattavaan PAH-muodostumismekanismiin määrittelemällä niiden reaktio-olosuhteiden alue, joilla nämä äskettäin löydetyt reitit ovat tärkeitä."

menu
menu