Kogu koodi leotamine tahmade moodustamiseks - teadlased avavad müsteeriumi ohtlike heitkoguste vähendamiseks

Kogu universum ühes videos (Aprill 2019).

Anonim

Tänu Sandia National Laboratories'i poolt läbi viidud uuringutele on lõpuks lahendatud kauaaegne muret tahmaaretuse pärast, mida põletamise teadlased on aastakümneid seletanud.

Soe on üldlevinud ja avaldab suurt kahjulikku mõju inimeste tervisele, põllumajandusele, energiatarbimisele, kliimale ja õhukvaliteedile. Vastutavad kardiovaskulaarsete ja kopsuhaiguste ning nendega seotud surmajuhtumite märkimisväärselt tõusust annavad ka tahma miljonites surmajuhtumite maailmas igal aastal, peamiselt siseruumide küpsetamise ja kütmise eest arengumaades. See toob kaasa tuhandeid surmajuhtumeid Ameerika Ühendriikides igal aastal, peamiselt inimtekkelistest heitmetest atmosfääri. Kahjutundlikes atmosfääriheitmetes tuntakse must süsinikku.

"Mõistades tahmaaretust, on meil paremad võimalused vähendada mootorite, metsatulekahjude ja ahjude ohtlikke heitmeid ning kontrollida selle tootmist ja omadusi tööstusprotsesside ajal, " ütles Sandia teadlane Hope Michelsen, lisades, et kõik teavad, mida tahma on, kuid keegi ei suutnud selgitada, kuidas gaasilised kütuse molekulid muutuvad tahmaosakestena.

Ta ütles, et tahma moodustumine osutub väga erinevaks osakesega kondenseerunud gaasimolekulide tavalisest protsessist, selle asemel nõuab pigem pigem kiireid keemilisi reaktsioone kui kondenseerumist.

Lahendus võib kehtida ka muudele kõrgel temperatuuril, näiteks interstellulaarsele ruumile, kus moodustuvad suured kogused süsinik-tolmuosakesi.

See revolutsiooniline töö ilmus Science ajakirja paberil, "resonants-stabiliseeritud süsivesinikuahela reaktsioonid võivad seletada tahma algust ja kasvu." Autorid on Sandia teadlased Michelsen, Olof Johansson ja Paul Schrader; Kevin Wilson Lawrence Berkeley National Laboratory; ja Martin Head-Gordon California ülikoolist Berkeley ja Lawrence Berkeley National Lab.

Tööd rahastati energeetikateaduse energeetikateaduste büroos. "See töö annab tohutu teadusliku edu, kuna aastaid toetati keskendunud ja süstemaatilist tööd kõrge temperatuuriga süsivesinike keemia põhialuste mõistmise arendamiseks, " ütles Michelsen.

Uuritakse ka sooli moodustumist

Soola moodustub süsivesinike kütuste, nagu nafta, maagaasi ja puidu põletamisel. Kuigi see avaldab kahjulikku mõju tervisele ja keskkonnale, on tahm äärmiselt oluline paljude tööstusprotsesside jaoks, nagu katelde tootlikkus, klaasitootmine ja kummitoodete tugevdus ja pigmendid.

Michelsen ütles, et vaatamata kuiva üldisele ja olulisusele on põhikemikaal, mis selgitab, miks leegis olevad molekulid koos kõrgete temperatuuride ja osakestega moodustavad osakesi.

Lõplikus vormis on tahm tahke, väga sarnane grafiidiga, kuid see on algselt moodustatud gaasilistest süsivesinikest. Eksperimentaalsed andmed näitavad, et ta liigub gaasilt vedelikule enne, kui see muutub tahkeks. Teadlased on aastakümneid üritanud seda üleminekut selgitada. "Enamik inimesi tunneb, kuidas vee ja aurude gaasifaas kondenseerub, kui see jahutab, tilguti. Jahutus edaspidiseks muudab selle jääks, vee tahke faasiks, " sõnas Michelsen.

Soojuseosakesed moodustuvad, kui gaasilisi molekule kuumutatakse kõrgel temperatuuril, ja nad ei pöördu tagasi gaasiliste molekulide poole, kui neid kuumutatakse, kui vesipiiskad teevad. Tugevad keemilised sidemed omavad tahmaosakesi koos. "Kuivatamine on pigem küpsetamise kui kondenseerunud vesi. Kuiv vedel kook tainas kõrgetel temperatuuridel muudab selle stabiilseks tahkeks kujul, " selgitas Michelsen.

Teadlased on juba kaua kahtlustanud, et tahma moodustamiseks tuleb moodustada keemilised sidemed. Siiski on tahmade moodustumine kiire ja teadlased ei saanud aru, kuidas nõutavad keemilised sidemed võivad tekkida nii kiiresti. Selle probleemi veelgi raskemaks tegemiseks ei olnud teadlased isegi kindlad, millised gaasifaasi molekulid olid tahma tootmisel kaasatud.

"Leegiga mõõtmisi on väga raske, " ütles Michelsen, "ja ilma osalevate molekulaarsete liikide mõõtmiseta on see nagu püüda välja mõelda, kuidas kook valmistatakse ilma koostisosade teadmata."

Uuriti radikaalseid leegi liike

Selgub, et tahma moodustamise võti on resonantsstabiliseerunud radikaalid, ütles Johansson. Üldiselt on molekulid, mis on radikaalid, paardunud elektronid, mida nad tahavad jagada, mistõttu need reageerivad. Kuid erinevalt enamikust radikaalidest on neil resonantsstabiliseerunud radikaalidel molekulis teistes sidudes osalenud paaritatud elektronid. Elektroonilise tiheduse jagamine paarunud elektronide ja teiste molekulis olevate sidemete vahel muudab need radikaalid stabiilsemaks kui teised radikaalid, kuid siiski on nad enam reaktiivsed kui enamik teisi suuri molekule, mis moodustavad tahma. Lawrence Berkeley Labi täiustatud valgusallikaga tehtud mõõtmised näitasid nende radikaalsete liikide järjestust kõigis uuritud leegides. Michelsen ütles, et teised radarid on näinud neid radikaale ja arvasid, et need võivad olla seotud tahmade moodustamisega, kuid peamised tegurid ei tundunud nende olevat piisavalt.

"Me mõtlesime, et need radikaalid võivad alustada ahelreaktsiooni, " ütles Michelsen.

Kui need radikaalid reageerivad teiste molekulidega, võivad need hõlpsasti moodustada uusi resonantsstab stabiliseerunud radikaale. Protsessis reageerivad nad teiste gaasiliste süsivesinikega ja kasvavad pidevalt, taastades radikaale kasvava osakese osana.

Johansson selgitas: "Me tegime arvutusi, et näidata, et see protsess peaks toimuma kiiresti."

"See on tõesti üsna lihtne, hästi … kui teate vastust, " ütles Michelsen. "Keemiline mehhanism on oluline paljude kõrgtemperatuursetes protsessides, sealhulgas ka interstellulaarsete tolmuosakeste moodustumisel, mis läbivad meie galaktikat. Oleme väga põnevil, et avasime tahma moodustamise saladuse, praegu tekkivate süsinikuosakeste metsatulekahjude tagajärjel mõned maailma osad, mis võivad avaldada sellist laastavat mõju inimeste tervisele. "

Massachusettsi Tehnoloogiainstituut professor William Green ütles, et juba pikka aega on spekuleeritud, et resonantselt stabiliseeritud radikaalidega seotud rada võivad olla olulised polütsükliliste aromaatsete süsivesinike (PAH) ja tahma moodustumisega, kuna teadaolevad reaktsioonid ei ole piisavalt suured, et selgitada tahma kiiret moodustumist.

"Tõepoolest on teada mõned PAH-dest põhjustatud resonantselt stabiliseeritud radikaalid, kuid siiani pole keegi esitanud eksperimentaalsete tähelepanekutega toetatud veenvat üldist mehhanismi, " ütles Green. "Ootan, et need uued avastatud reaktsioonide teekonnad integreeritakse terviklikku PAH moodustamismehhanismi, et määrata reaktsioonitingimuste valikut, kus need uued avastatud teed on olulised."

menu
menu