Kodas sugadintas suodžių formavimu - mokslininkai atskleidžia paslaptį, kad sumažintų pavojingus išmetalus

SUGADINTA MEDŽIAGŲ APYKAITA: POŽYMIAI IR IŠEITYS | Swan Health (Birželis 2019).

Anonim

Dėl ilgametės sojos formavimo paslapties, kurią degimo mokslininkai bandė paaiškinti dešimtmečius, atrodo, kad galiausiai išspręsta, nes Sandia National Laboratories vadovaujama tyrimų tema.

Suodžiai yra visur ir turi didelį žalingą poveikį žmonių sveikatai, žemės ūkiui, energijos vartojimo efektyvumui, klimatui ir oro kokybei. Atsakingas už žymiai padidėjusį širdies ir kraujagyslių bei plaučių ligų ir susijusių mirčių skaičių, suodžiai taip pat prisideda prie milijonų mirčių pasaulyje kasmet, daugiausia dėl patalpų maisto gaminimo ir šildymo besivystančiose šalyse. Kasmet Jungtinėse Valstijose miršta dešimtys tūkstančių mirčių, daugiausia iš antropogeninių išmetimų į atmosferą. Iš atmosferos išmetamų suodžių yra žinoma kaip juodoji anglis.

"Suvokdama suodžių susidarymą, mes turime daugiau galimybių sumažinti savo pavojingą iš variklių, miškų gaisrų ir kepimo krosnyse išmetamų teršalų kiekį ir kontroliuoti jo gamybą bei savybes pramoninių procesų metu", - sakė Sandia tyrinėtojas Hope Michelsen, pridurdamas, kad visi žino, kas suodžiai yra, bet niekas negalėjo paaiškinti, kaip dujinių kuro molekulės tampa suodžių dalelėmis.

Ji sakė, kad suodžių susidarymas labai skiriasi nuo įprasto dujų molekulių, kondensuojančių į dalelę, procesą, o ne reikalauja greitų cheminių reakcijų, o ne kondensacijos.

Ji taip pat gali būti taikoma ir kitoms aukštos temperatūros sąlygoms, tokioms kaip tarpžvaigždinė erdvė, kur susidaro daug anglies dulkių dalelių.

Šis novatoriškas darbas buvo paskelbtas žurnalo " Science" žurnale, "Rezonansiniu būdu stabilizuotos angliavandenilio grandinės reakcijos gali paaiškinti suodžių atsiradimą ir augimą". Autoriai yra Sandia mokslininkai Michelsen, Olof Johansson ir Paul Schrader; Kevinas Wilsonas iš Lawrence Berkeley nacionalinės laboratorijos; ir Martinas Head-Gordonas iš Kalifornijos universiteto Berkeley ir Lawrence Berkeley National Lab.

Darbą finansavo Energetikos departamento pagrindinių energetikos mokslų katedra. "Šis darbas yra milžiniška mokslinė sėkmė, nes daug metų remiama tikslinga ir sisteminga veikla kuriant esminį supratimą apie aukštos temperatūros angliavandenilių chemiją", - sakė Michelsen.

Ištirta dumblių formavimas

Suodžiai susidaro deginant angliavandenilio degalus, tokius kaip nafta, gamtinės dujos ir mediena. Nors tai daro neigiamą poveikį sveikatai ir aplinkai, suodžiai yra ypač svarbūs daugeliui pramoninių procesų, tokių kaip katilo eksploatacinės savybės, stiklo gamyba, ir anglies ir juodos kartos gumos gaminių armatūrai ir pigmentams.

Nepaisant to, kad visur ir suodžių svarba, pagrindinė chemija, paaiškinanti, kodėl liepsnos molekulės kartu kaupiasi aukštoje temperatūroje ir sudaro daleles, iki šiol išliko moksliniu įspūdžiu, - teigė Michelsen.

Galutinėje formoje suodžiai yra kieta, labai panaši į grafitą, tačiau iš pradžių ji susideda iš dujinių angliavandenilių. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad jis pereina nuo dujų į skystį, kol jis tampa kietas. Mokslininkai dešimtmečius bando paaiškinti šį perėjimą. "Dauguma žmonių yra susipažinę su tuo, kaip vandens garų fazė kondensuojasi į lašelius, kai jis atšaldomas. Vėliau jis bus ištirpęs į ledą, kietą vandens fazę, " sakė Michelsen.

Dumblių dalelės susidaro, kai dujinės molekulės yra kaitinamos iki aukštų temperatūrų, ir jie lengvai negrįžta atgal į dujines molekules, kaip vandens lašeliai daro, kai jie pašildomi. Stiprūs cheminiai ryšiai palaiko suodžių daleles. "Sukietėjimas labiau tarsi kepti pyragą nei kondensuojantis vanduo. Šildymo skysčio tortas tešla iki aukštų temperatūrų paverčia jį stabilia kieta forma", - aiškino Michelsen.

Mokslininkai jau seniai įtaria, kad cheminės jungtys turi būti suformuotos, kad susidarytų suodžiai. Tačiau suodžių susidarymas yra greitas, o mokslininkai nesuprato, kaip reikiamos cheminės jungtys gali susidaryti taip greitai. Kad problema būtų dar sunkesnė, mokslininkai netgi nežinojo, kokios dujų fazės molekulės buvo susijusios su sodrinimu.

"Labai sunku atlikti matavimus liepsnoje, - sakė Michelsenas, - ir be dalyvaujančių molekulinių rūšių matavimų, tai panašu į bandymą išsiaiškinti, kaip tortas gaminamas nežinant ingredientų."

Ištirtos radikalios liepsnos rūšys

Pasirodo, kad suodžių susidarymo raktas yra rezonansu stabilizuojantys radikalai, sakė Johanssonas. Apskritai molekulės, kurios yra radikalai, turi nesuporuotus elektronus, kuriuos jie nori dalintis, todėl jie yra reaktyvūs. Tačiau, skirtingai nuo daugumos radikalų, šie rezonansu stabilizuoti radikalai turi nesuporuotus elektronus, kurie dalyvauja kituose molekulių ryšiuose. Pasidalijant elektronų tankį tarp nesuporuotų elektronų ir kitų ryšių molekulėje, šie radikalai yra stabilesni nei kiti radikalai, tačiau vis dėlto jie yra labiau reaktyvūs nei dauguma kitų didelių molekulių, sudarančių suodžių. Matavimai, atlikti "Advanced Light Source" "Lawrence Berkeley Lab" laboratorijoje, parodė šių radikalių rūšių seką visose tirtose liepsnos srityse. Michelsenas sakė, kad kiti tyrėjai pamatė šiuos radikalus ir manė, kad jie gali būti įtraukti į suodžių susidarymą, tačiau jiems atrodė nepakankamai, nes jie yra pagrindinis veiksnys.

"Mes supratome, kad šie radikalai gali pradėti grandininę reakciją", - sakė Michelsen.

Kai šie radikalai reaguoja su kitomis molekulėmis, jie gali lengvai formuoti naujus rezonansiniu būdu stabilizuotus radikalus. Tokiu būdu jie reaguoja su kitais dujiniais angliavandeniliais ir toliau auga, regeneruojant radikalus kaip augančios dalelės dalį.

Johansson paaiškino: "Mes atlikome skaičiavimus, kad pademonstruotume, kad šis procesas turėtų įvykti greitai".

"Tai tikrai gana paprasta, gerai … kai jūs žinote atsakymą", - sakė Michelsen. "Cheminis mechanizmas yra susijęs su daugeliu aukšto temperatūros procesų, tarp jų ir tarpsluoksnių dulkių dalelių, kurios patenka į mūsų galaktiką, susidarymo. Mes labai džiaugiamės, kad atrakinėjome suodžių susidarymo paslaptį, šiuo metu esančių anglies dalelių sukūrimą kai kuriose pasaulio dalyse dėl daugelio miškų gaisrų pritariama ir tai gali padaryti tokį niokojantį poveikį žmonių sveikatai ".

Masačusetso technologijos institutas profesorius Williamas Grynas sakė, kad jau seniai manoma, kad takai, kuriuose dalyvauja rezonansiškai stabilizuoti radikalai, gali būti svarbūs policikliniams aromatiniams angliavandeniliams (PAH) ir suodžių susidarymui, nes žinomos reakcijos nėra pakankamai greitai, kad paaiškintų greitą suodžių susidarymą.

"Iš tiesų žinomos kelios specifinės rezonansiškai stabilizuotų radikalų, dėl kurių atsiranda PAH, reakcijos, tačiau iki šiol niekas nepateikė įtikinamo bendro mechanizmo, kurį patvirtina eksperimentiniai stebėjimai", - sakė G. Green. "Tikiuosi, kad šie naujai atrastami reakcijos būdai bus įtraukti į visapusišką PAH formavimo mechanizmą, siekiant nustatyti reakcijų sąlygų spektrą, kai šie naujai atrasti būdai yra svarbūs."

menu
menu