Den Code zur Rußbildung knacken - Wissenschaftler enthüllen Geheimnisse, um gefährliche Emissionen zu reduzieren

Anonim

Das langjährige Rätsel der Rußbildung, das die Verbrennungswissenschaftler seit Jahrzehnten zu erklären versuchen, scheint dank der von Sandia National Laboratories geleiteten Forschung endlich gelöst zu sein.

Ruß ist allgegenwärtig und hat große schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, die Landwirtschaft, den Energieverbrauch, das Klima und die Luftqualität. Verantwortlich für signifikant erhöhte Raten von Herz-Kreislauf- und Lungenkrankheiten und damit verbundenen Todesfällen, trägt Ruß auch weltweit jährlich zu Millionen von Todesfällen bei, hauptsächlich durch Kochen und Heizen in Innenräumen in Entwicklungsländern. Es führt jedes Jahr zu Zehntausenden von Todesfällen in den USA, hauptsächlich durch anthropogene Emissionen in die Atmosphäre. Bei den atmosphärischen Emissionen werden Ruße als Ruß bezeichnet.

"Durch das Verständnis der Rußbildung haben wir eine bessere Chance, die gefährlichen Emissionen von Motoren, Waldbränden und Kochherden zu reduzieren und ihre Produktion und Eigenschaften während industrieller Prozesse zu kontrollieren", so Sandia-Forscherin Hope Michelsen Ruß ist, aber niemand konnte erklären, wie gasförmige Kraftstoffmoleküle zu Rußpartikeln werden.

Sie sagte, die Rußbildung entpuppte sich als sehr verschieden von dem typischen Prozess, bei dem Gasmoleküle zu einem Partikel kondensieren, was stattdessen schnelle chemische Reaktionen anstelle von Kondensation erfordert.

Die Lösung könnte auch auf andere Hochtemperaturbedingungen wie den interstellaren Raum angewendet werden, wo große Mengen von Kohlenstoffstaubpartikeln gebildet werden, sagte sie.

Diese bahnbrechende Arbeit wurde in einer Zeitschrift der Fachzeitschrift Science veröffentlicht: "Resonanzstabilisierte Reaktionen mit Kohlenwasserstoffketten können den Beginn und das Wachstum von Ruß erklären." Autoren sind Sandia Forscher Michelsen, Olof Johansson und Paul Schrader; Kevin Wilson vom Lawrence Berkeley National Laboratory; und Martin Head-Gordon von der University of California, Berkeley, und Lawrence Berkeley National Lab.

Die Arbeit wurde vom Büro für grundlegende Energiewissenschaften des Department of Energy finanziert. "Die Arbeit stellt einen enormen wissenschaftlichen Erfolg dar, der auf jahrelange Unterstützung gezielter, systematischer Arbeiten zur Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses der Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffchemie zurückzuführen ist", sagte Michelsen.

Rußbildung untersucht

Ruß wird während der Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen wie Öl, Erdgas und Holz gebildet. Obwohl es schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit und die Umwelt hat, ist Ruß für viele industrielle Prozesse, wie die Kesselleistung, die Glasproduktion und die Erzeugung von Ruß zur Verstärkung von Gummiprodukten und Pigmenten, extrem wichtig.

Trotz der Allgegenwärtigkeit und Wichtigkeit von Ruß ist die grundlegende Chemie, die erklärt, warum die Moleküle in einer Flamme bei hohen Temperaturen zusammenkleben und Teilchen bilden, bis jetzt ein wissenschaftliches Rätsel geblieben, sagte Michelsen.

In seiner endgültigen Form ist Ruß ein Feststoff, der Graphit sehr ähnlich ist, aber er wird anfänglich aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen gebildet. Experimentelle Beweise zeigen, dass es von einem Gas zu einer Flüssigkeit übergeht, bevor es zu einem Feststoff wird. Wissenschaftler versuchen seit Jahrzehnten diesen Übergang zu erklären. "Die meisten Menschen sind damit vertraut, wie die Gasphase von Wasser-Wasserdampf beim Abkühlen zu Tröpfchen kondensiert. Wenn man sie weiter abkühlt, wird daraus Eis, die feste Phase des Wassers. Ruß ist anders", sagte Michelsen.

Rußteilchen werden gebildet, wenn gasförmige Moleküle auf hohe Temperaturen erhitzt werden, und sie wandeln sich nicht so leicht in gasförmige Moleküle zurück, wie Wassertropfen beim Erhitzen. Starke chemische Bindungen halten Rußpartikel zusammen. "Ruß zu machen, ist mehr wie ein Kuchen zu backen, als wenn man Wasser kondensiert. Wenn man den flüssigen Kuchenteig auf hohe Temperaturen erhitzt, wird daraus eine stabile feste Form", erklärt Michelsen.

Wissenschaftler haben lange vermutet, dass chemische Bindungen gebildet werden müssen, um Ruß zu machen. Die Rußbildung ist jedoch schnell und die Forscher haben nicht verstanden, wie sich die erforderlichen chemischen Bindungen so schnell bilden können. Um das Problem noch zu erschweren, waren sich die Forscher nicht einmal sicher, welche Gasphasenmoleküle an der Rußbildung beteiligt waren.

"Es ist sehr schwierig, Messungen in einer Flamme zu machen", sagte Michelsen, "und ohne Messungen der beteiligten Molekülarten ist es, als würde man versuchen herauszufinden, wie ein Kuchen hergestellt wird, ohne die Zutaten zu kennen."

Radikalische Flammenarten untersucht

Der Schlüssel zur Rußbildung seien resonanzstabilisierte Radikale, sagte Johansson. Im Allgemeinen haben Moleküle, die Radikale sind, ungepaarte Elektronen, die sie teilen wollen, was sie reaktiv macht. Im Gegensatz zu den meisten Radikalen haben diese resonanzstabilisierten Radikale jedoch ungepaarte Elektronen, die an anderen Bindungen im Molekül beteiligt sind. Die Elektronendichte zwischen den ungepaarten Elektronen und anderen Bindungen im Molekül macht diese Radikale stabiler als andere Radikale, aber dennoch sind sie reaktiver als die meisten anderen großen Moleküle, die Ruß bilden. Messungen, die an der Advanced Light Source im Lawrence Berkeley Lab durchgeführt wurden, zeigten eine Sequenz dieser radikalen Spezies in allen untersuchten Flammen. Michelsen sagte, andere Forscher hätten diese Radikale gesehen und dachten, sie könnten an der Rußbildung beteiligt sein, aber es schien nicht genug von ihnen zu sein, um der Hauptantrieb zu sein.

"Wir haben herausgefunden, dass diese Radikale eine Kettenreaktion auslösen können", sagte Michelsen.

Wenn diese Radikale mit anderen Molekülen reagieren, können sie leicht neue resonanzstabilisierte Radikale bilden. Dabei reagieren sie mit anderen gasförmigen Kohlenwasserstoffen und wachsen weiter, wobei sie als Teil des wachsenden Partikels Radikale regenerieren.

Johansson erklärte: "Wir haben Berechnungen durchgeführt, um zu zeigen, dass dieser Prozess schnell erfolgen sollte."

"Es ist wirklich ziemlich einfach, gut … sobald Sie die Antwort wissen", sagte Michelsen. "Der chemische Mechanismus ist für eine Vielzahl von Hochtemperaturprozessen relevant, einschließlich der Bildung von interstellaren Staubpartikeln, die unsere Galaxie durchdringen. Wir sind sehr aufgeregt darüber, das Geheimnis der Rußbildung, der Entstehung von Kohlenstoffpartikeln, aufgeklärt zu haben Überwindung einiger Teile der Welt als Folge von Waldbränden, und dies kann sich so verheerend auf die menschliche Gesundheit auswirken. "

Massachusetts Institute of Technology Professor William Green sagte, es sei seit langem spekuliert worden, dass Wege mit resonanzstabilisierten Radikalen bei der Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) und Ruß wichtig sein könnten, da die bekannten Reaktionen nicht schnell genug sind, um die schnelle Bildung von Ruß zu erklären.

"In der Tat sind einige spezifische Reaktionen von resonanzstabilisierten Radikalen, die zu PAH führen, bekannt, aber bis jetzt hat niemand einen überzeugenden allgemeinen Mechanismus präsentiert, der durch experimentelle Beobachtungen gestützt wird", sagte Green. "Ich freue mich darauf, diese neu entdeckten Reaktionswege in einen umfassenden PAH-Bildungsmechanismus einzubauen, um den Bereich der Reaktionsbedingungen zu bestimmen, in denen diese neu entdeckten Wege wichtig sind."

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