Ny metode til at identificere kulstofforbindelser afledt af fossile brændstoffer

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet et laboratorieinstrument, der kan måle, hvor meget af kulstoffet i mange kulstofholdige materialer, der stammer fra fossile brændstoffer. Dette vil åbne vejen for nye metoder i biobrændstof- og bioplastindustrien, i videnskabelig forskning, og miljøovervågning. Blandt andet, det vil give forskerne mulighed for at måle, hvor meget af kuldioxiden (CO ₂ ) i atmosfæren kom fra afbrænding af fossile brændstoffer, og at estimere emissioner af fossile brændstoffer i et område så lille som en by eller så stort som et kontinent.

Dette er muligt, fordi kulstofatomer forekommer i tunge og lette former, eller isotoper, og måling af de relative mængder af hver kan afsløre kilden til kulstof. At bruge carbon isotoper på denne måde er ikke en ny idé, men det kræver ekstremt præcise – og dyre – målinger. Det nye instrument, udviklet af NIST -kemikere Adam Fleisher og David Long og baseret på en teknologi kaldet cavity ringdown spectroscopy (CRDS), lover at reducere omkostningerne ved disse målinger dramatisk. De beskrev instrumentets ydeevne i Journal of Physical Chemistry Letters .

"Måling af carbonisotoper er en yderst nyttig teknik, men indtil nu, det har fundet begrænset brug på grund af omkostningerne, " sagde Long. "At sænke omkostningerne vil åbne vejen for nye applikationer, især dem, der kræver testning af et stort antal prøver."

Nøglen til disse målinger er kulstof-14, en radioaktiv (endnu harmløs) isotop af kulstof, der dannes i den øvre atmosfære. At kulstof-14 finder vej til alt levende. I modsætning til almindelig kulstof, kulstof-14 er ustabil, med en halveringstid på 5, 730 år. Når levende ting dør, de holder op med at inkorporere kulstof i deres kroppe, og deres kulstof-14 begynder at henfalde.

Forskere kan beregne, hvor længe siden noget døde ved at måle, hvor meget kulstof-14 der er i dets rester. Den teknik kaldes kulstofdatering, og videnskabsmænd bruger det til at datere ting som neandertalerknogler og gamle plantefibre.

Fossile brændstoffer er også rester af levende ting, hovedsageligt planter, der døde for hundreder af millioner af år siden. Næsten alt deres kulstof-14 henfaldt væk for evigheder siden, så alt afledt af dem er præget af fraværet af målbare mængder kulstof-14.

Men carbon-14 er ekstremt sjældent, og til at bruge det til at identificere fossile brændstoffer, forskere skal være i stand til at måle det ved koncentrationer så lave som 1 del ud af 10 billioner. Det svarer til et enkelt sandkorn i 60 dumpere fyldt med ting.

For at måle så lave koncentrationer, du har brug for en ekstremt følsom måleteknik, og sådan en teknik findes allerede. Arkæologer har stolet på det i årtier. Men den teknik kræver en partikelaccelerator til at adskille isotoperne (den tungere kulstof-14 accelererer langsommere end hverdagens kulstof-12), sammen med en facilitet til at huse den og et hold ph.d.'er til at drive den.

CRDS-instrumentet, som Fleisher og Long har udviklet, kan sidde på en laboratoriebordplade og er relativt billigt at betjene.

CRDS -instrumenter analyserer gasser ved at detektere bølgelængderne af lys, de absorberer. For eksempel, CO ₂ der indeholder kulstof-14 - såkaldt tung CO ₂ - absorberer en lidt anden bølgelængde end almindeligt CO ₂ .

For at måle hvor meget tung CO ₂ du har i en CO ₂ prøve, du injicerer først prøven i instrumentets målehulrum ("C" i CRDS), som er et rør med spejle indeni i hver ende. Du tuner derefter en laser til den nøjagtige bølgelængde, som kun tung CO ₂ absorberer og skyder et udbrud af det ind i hulrummet. Når laserlyset hopper mellem spejlene, noget af dets energi absorberes af gassen. Jo større absorption, jo større koncentration af tung CO ₂ .

For at opnå den nødvendige følsomhed, Fleisher og Long forbedrede eksisterende CRDS-teknologi ved at udvikle et system, der afkøler hulrummet til en ensartet minus 55 grader Celsius og minimerer temperaturudsving, der ville afbryde målingen. Ved at gøre hulrummet meget koldt kan deres instrument detektere meget svage signaler om lysabsorbering, på samme måde, som du måske kunne høre en knappenål falde, hvis du gjorde et værelse ekstremt stille.

Denne og andre forbedringer øgede instrumentets følsomhed nok til nøjagtig kulstofdatering.

For at teste biobrændstoffer og bioplast, du ville først brænde disse materialer, indsaml derefter det resulterende CO ₂ til analyse. Dette vil give dig mulighed for at teste en brændstofblanding for at bestemme, hvilken del af det der er biobrændstof. I flyindustrien, for eksempel, dette ville være nyttigt, fordi nogle lande kræver, at flybrændstoffer indeholder en specifik procentdel af biobrændstof. Sådanne test kan også bruges til at verificere, at bioplast, som sælger for en præmie, indeholder ikke petroleums-afledte forbindelser.

For at estimere emissioner af fossile brændstoffer i et geografisk område, du ville indsamle mange luftprøver over det område og analysere den atmosfæriske CO ₂ i disse prøver. Områder med høje fossile brændstoffer, såsom byer og industriområder, vil have under normale koncentrationer af tung CO ₂ .

"Emissioner af fossilt brændstof fortynder koncentrationen af ​​tung CO ₂ i luften, " sagde Fleisher. "Hvis vi nøjagtigt kan måle den koncentration, efter at den er blevet fortyndet, vi kan beregne, hvor meget fossile brændstoffer, der er i blandingen."

En rapport fra National Academy of Sciences anslår, at 10, 000 prøver om året, indsamlet på nøje udvalgte steder rundt om i USA, ville være nok til at estimere nationale fossile brændstoffer til inden for 10 procent af den faktiske værdi. Et sådant målesystem kan øge pålideligheden af ​​nationale emissionsestimater. Dette ville især være nyttigt i dele af verden, hvor emissionsdata af høj kvalitet ikke er let tilgængelige.

"Der er behov for denne type måling i mange brancher, "Fleisher sagde." Vi har vist en vej til at imødekomme dette behov på en omkostningseffektiv måde. "