Knækker koden til soddannelse - forskere låser op for mysterium for at hjælpe med at reducere farlige emissioner

Soddannelsens mangeårige mysterium, som forbrændingsforskere har forsøgt at forklare i årtier, ser ud til at være endelig løst, takket være forskning ledet af Sandia National Laboratories.

Sod er allestedsnærværende og har store skadelige virkninger på menneskers sundhed, landbrug, energiforbrugseffektivitet, klima, og luftkvalitet. Ansvarlig for markant øgede forekomster af hjerte-kar- og lungesygdomme og associerede dødsfald, sod bidrager også til millioner af dødsfald på verdensplan årligt, stort set fra indendørs madlavning og opvarmning i udviklingslande. Det fører til titusindvis af dødsfald i USA hvert år, overvejende fra menneskeskabte emissioner til atmosfæren. I de atmosfæriske emissioner af sod er kendt som sort kulstof.

"Ved at forstå soddannelse, vi har en bedre chance for at kunne reducere dets farlige emissioner fra motorer, skovbrand, og koge komfurer og kontrollere dens produktion og egenskaber under industrielle processer, " sagde Sandia-forsker Hope Michelsen, tilføjer, at alle ved, hvad sod er, men ingen har været i stand til at forklare, hvordan gasformige brændstofmolekyler bliver til sodpartikler.

Hun sagde, at soddannelse viser sig at være meget forskellig fra den typiske proces med gasmolekyler, der kondenserer til en partikel, i stedet, kræver hurtige kemiske reaktioner frem for kondensering.

Løsningen kan også anvendes til andre høje temperaturforhold, såsom det interstellare rum, hvor der dannes store mængder kulstof-støvpartikler, hun sagde.

Dette banebrydende værk blev udgivet i en Videnskab magasinpapir, "Resonansstabiliserede kulbrintekædereaktioner kan forklare sodstart og vækst." Forfatterne inkluderer Sandia-forskerne Michelsen, Olof Johansson, og Paul Schrader; Kevin Wilson fra Lawrence Berkeley National Laboratory; og Martin Head-Gordon fra University of California, Berkeley, og Lawrence Berkeley National Lab.

Arbejdet blev finansieret af Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences. "Værket repræsenterer en enorm videnskabelig succes som et resultat af mange års støtte til fokuserede, systematisk arbejde med at udvikle en grundlæggende forståelse af kulbrinterkemi ved høj temperatur, sagde Michelsen.

Soddannelse undersøgt

Sod dannes ved forbrænding af kulbrintebrændstoffer, såsom olie, naturgas, og træ. Selvom det har sundheds- og miljøskadelige virkninger, sod er ekstremt vigtigt for mange industrielle processer, såsom kedelydelse, glasproduktion, og kulsort-generering til gummi-produktforstærkning og pigmenter.

På trods af sods allestedsnærværende og vigtighed, den grundlæggende kemi, der forklarer, hvorfor molekylerne i en flamme hænger sammen ved høje temperaturer og danner partikler, har været et videnskabeligt puslespil indtil nu, sagde Michelsen.

I sin endelige form, sod er et fast stof meget lig grafit, men det er oprindeligt dannet af gasformige kulbrinter. Eksperimentelle beviser indikerer, at det går fra en gas til en væske, før det bliver et fast stof. Forskere har i årtier forsøgt at forklare denne overgang. "De fleste mennesker er bekendt med, hvordan vandgasfasen - vanddamp - kondenserer til dråber, når den afkøles. Hvis den afkøles yderligere, bliver den til is, vandets faste fase. Sod er anderledes, sagde Michelsen.

Sodpartikler dannes, når gasformige molekyler opvarmes til høje temperaturer, og de vender ikke let tilbage til gasformige molekyler, som vanddråber gør, når de varmes op. Stærke kemiske bindinger holder sodpartikler sammen. "At lave sod ligner mere at bage en kage, end det er som kondensvand. Opvarmning af flydende kagedej til høje temperaturer gør det til en stabil fast form, " forklarede Michelsen.

Forskere har længe haft mistanke om, at der skal dannes kemiske bindinger for at lave sod. Imidlertid, soddannelsen er hurtig, og forskere forstod ikke, hvordan de nødvendige kemiske bindinger kunne dannes så hurtigt. For at gøre problemet endnu sværere, forskere var ikke engang sikre på, hvilke gasfasemolekyler der var involveret i at producere sod.

"Det er meget svært at foretage målinger i en flamme, sagde Michelsen, "og, uden målinger af de deltagende molekylære arter, det er som at prøve at finde ud af, hvordan en kage er lavet uden at kende ingredienserne."

Radikale arter af flammer undersøgt

Nøglen til soddannelse, det viser sig, er resonansstabiliserede radikaler, sagde Johansson. Generelt, molekyler, der er radikaler, har uparrede elektroner, som de ønsker at dele, hvilket gør dem reaktive. Men, i modsætning til de fleste radikale, disse resonansstabiliserede radikaler har uparrede elektroner, der deltager i andre bindinger i molekylet. Deling af elektrontæthed mellem de uparrede elektroner og andre bindinger i molekylet gør disse radikaler mere stabile end andre radikaler, men, alligevel, de er mere reaktive end de fleste af de andre store molekyler, der danner sod. Målinger udført ved Advanced Light Source på Lawrence Berkeley Lab viste en sekvens af disse radikale arter i alle de undersøgte flammer. Michelsen sagde, at andre forskere havde set disse radikaler og troede, at de kunne være involveret i soddannelse, men der så ikke ud til at være nok af dem til at være hoveddriveren.

"Vi fandt ud af, at disse radikaler kan starte en kædereaktion, sagde Michelsen.

Når disse radikaler reagerer med andre molekyler, de kan nemt danne nye resonansstabiliserede radikaler. I processen, de reagerer med andre gasformige kulbrinter og fortsætter med at vokse, regenererende radikaler som en del af den voksende partikel.

Johansson forklarede, "Vi udførte beregninger for at vise, at denne proces skulle ske hurtigt."

"Det er egentlig ret simpelt, godt ... når du kender svaret, " sagde Michelsen. "Den kemiske mekanisme er relevant for mange højtemperaturprocesser, herunder dannelse af interstellare støvpartikler, som gennemsyrer vores galakse. Vi er meget begejstrede for at have låst op for mysteriet om soddannelse, skabelsen af ​​kulstofpartikler, der i øjeblikket overvælder nogle dele af verden som følge af skovbrande, og som kan have en så ødelæggende effekt på menneskers sundhed."

Professor William Green ved Massachusetts Institute of Technology sagde, at det længe har været spekuleret i, at veje, der involverer resonansstabiliserede radikaler, kan være vigtige i polycyklisk aromatisk kulbrinte (PAH) og soddannelse. da de kendte reaktioner ikke er hurtige nok til at forklare den hurtige dannelse af sod.

"Der kendes faktisk nogle få specifikke reaktioner af resonansstabiliserede radikaler, der fører til PAH, men indtil nu har ingen præsenteret en overbevisende generel mekanisme understøttet af eksperimentelle observationer, " sagde Green. "Jeg ser frem til at inkorporere disse nyopdagede reaktionsveje i en omfattende PAH-dannelsesmekanisme, at bestemme rækkevidden af ​​reaktionsbetingelser, hvor disse nyopdagede veje er vigtige."