Давняя загадка образования сажи, которую ученые, занимающиеся сжиганием топлива, пытались объяснить на протяжении десятилетий, кажется, наконец, разгадана благодаря исследованиям, проведенным Национальными лабораториями Сандия.
Сажа распространена повсеместно и оказывает большое пагубное воздействие на здоровье человека, сельское хозяйство, эффективность энергопотребления, климат и качество воздуха. Отвечая за значительное увеличение числа сердечно-сосудистых и легочных заболеваний и связанных с ними смертей, сажа также ежегодно приводит к миллионам смертей во всем мире, в основном из-за приготовления пищи в помещении и отопления в развивающихся странах. Ежегодно он приводит к десяткам тысяч смертей в США, преимущественно от антропогенных выбросов в атмосферу. В атмосферу выбросы сажи известны как черный углерод.
«Понимая, как образуется сажа, у нас больше шансов уменьшить ее опасные выбросы от двигателей, лесных пожаров и кухонных плит, а также контролировать ее производство и характеристики во время промышленных процессов», - сказала исследователь Sandia Хоуп Михельсен. добавив, что все знают, что такое сажа, но никто не смог объяснить, как молекулы газообразного топлива становятся частицами сажи.
Она сказала, что образование сажи сильно отличается от типичного процесса конденсации молекул газа в частицы, вместо этого требуя быстрых химических реакций, а не конденсации.
Решение также может применяться к другим высокотемпературным условиям, таким как межзвездное пространство, где образуются большие количества частиц углеродной пыли, сказала она.
Эта новаторская работа была опубликована в журнале Science под заголовком «Резонансно-стабилизированные углеводородные цепные реакции могут объяснить возникновение и рост сажи». В число авторов входят исследователи Sandia Микельсен, Олоф Йоханссон и Пол Шрадер; Кевин Уилсон из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли; и Мартин Хед-Гордон из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.
Работа финансировалась Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики. «Работа представляет собой огромный научный успех в результате многолетней поддержки целенаправленной систематической работы по развитию фундаментального понимания химии высокотемпературных углеводородов», - сказал Михельсен.
Исследовано образование сажи
Сажа образуется при сгорании углеводородного топлива, такого как нефть, природный газ и древесина. Несмотря на вредное воздействие на здоровье и окружающую среду, сажа чрезвычайно важна для многих промышленных процессов, таких как работа котлов, производство стекла и производство сажи для армирования резиновых изделий и пигментов.
Несмотря на повсеместное распространение и важность сажи, основная химия, объясняющая, почему молекулы в пламени слипаются при высоких температурах и образуют частицы, до сих пор остается научной загадкой, сказал Михельсен.
В своей окончательной форме сажа представляет собой твердое вещество, очень похожее на графит, но первоначально образованное из газообразных углеводородов. Экспериментальные данные показывают, что он переходит из газа в жидкость, прежде чем станет твердым. Ученые десятилетиями пытались объяснить этот переход. «Большинство людей знакомы с тем, как газовая фаза воды - водяной пар - конденсируется в капли при охлаждении. Дальнейшее охлаждение превратит ее в лед, твердую фазу воды. Сажа - другое дело», - сказал Михельсен.
Частицы сажи образуются, когда молекулы газа нагреваются до высоких температур, и они не могут легко превратиться обратно в молекулы газа, как это делают капли воды при нагревании. Прочные химические связи удерживают частицы сажи вместе.«Изготовление сажи больше похоже на выпечку торта, чем на конденсацию воды. Нагрев жидкого теста для торта до высоких температур превращает его в стабильную твердую форму», - объяснил Михельсен.
Ученые давно подозревали, что для образования сажи должны образовываться химические связи. Однако образование сажи происходит быстро, и исследователи не понимали, как могли так быстро образовываться необходимые химические связи. Чтобы сделать проблему еще более сложной, исследователи даже не были уверены, какие молекулы газовой фазы участвуют в образовании сажи.
«Очень сложно проводить измерения в пламени, - сказал Михельсен, - и без измерений участвующих молекулярных частиц это все равно, что пытаться выяснить, как делается торт, не зная ингредиентов».
Радикальные виды пламени изучены
Ключом к образованию сажи, как оказалось, являются резонансно-стабилизированные радикалы, сказал Йоханссон. В общем, молекулы, которые являются радикалами, имеют неспаренные электроны, которые они хотят разделить, что делает их реактивными. Но, в отличие от большинства радикалов, эти резонансно-стабилизированные радикалы имеют неспаренные электроны, которые участвуют в других связях в молекуле. Общая плотность электронов между неспаренными электронами и другими связями в молекуле делает эти радикалы более устойчивыми, чем другие радикалы, но, тем не менее, они более реакционноспособны, чем большинство других крупных молекул, образующих сажу. Измерения, проведенные на усовершенствованном источнике света в лаборатории Лоуренса в Беркли, показали последовательность этих радикальных частиц во всех изученных пламенах. Михельсен сказал, что другие исследователи видели эти радикалы и думали, что они могут быть вовлечены в образование сажи, но, похоже, их недостаточно, чтобы быть основной движущей силой.
"Мы выяснили, что эти радикалы могут запустить цепную реакцию", - сказал Михельсен.
Когда эти радикалы реагируют с другими молекулами, они могут легко образовывать новые резонансно-стабилизированные радикалы. При этом они реагируют с другими газообразными углеводородами и продолжают расти, регенерируя радикалы в составе растущей частицы.
Йоханссон объяснил: «Мы провели расчеты, чтобы продемонстрировать, что этот процесс должен происходить быстро».
"Это действительно довольно просто, ну… как только вы знаете ответ", сказал Михельсен. «Химический механизм имеет отношение ко многим высокотемпературным процессам, включая образование частиц межзвездной пыли, которые пронизывают нашу галактику. захлестывающих некоторые части мира в результате лесных пожаров, и это может иметь такие разрушительные последствия для здоровья человека».
Профессор Массачусетского технологического института Уильям Грин сказал, что давно предполагалось, что пути с участием резонансно-стабилизированных радикалов могут играть важную роль в полициклических ароматических углеводородах (ПАУ) и образовании сажи, поскольку известные реакции недостаточно быстры, чтобы объяснить быстрое образование нагара.
«Действительно известно несколько специфических реакций резонансно-стабилизированных радикалов, ведущих к ПАУ, но до сих пор никто не представил убедительный общий механизм, подтвержденный экспериментальными наблюдениями», - сказал Грин. «Я с нетерпением жду включения этих недавно открытых путей реакции в всеобъемлющий механизм образования ПАУ, чтобы определить диапазон условий реакции, в которых эти недавно открытые пути важны».