การร้าวรหัสเพื่อสร้างเขม่า - นักวิทยาศาสตร์ปลดล็อคความลึกลับเพื่อช่วยลดการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตราย

Anonim

ความลี้ลับอันยาวนานของการก่อตัวของเขม่าซึ่งนักวิทยาศาสตร์การเผาไหม้ได้พยายามอธิบายมาหลายสิบปีดูเหมือนจะได้รับการแก้ไขได้ในที่สุดด้วยการวิจัยที่นำโดย Sandia National Laboratories

เขม่าเป็นที่แพร่หลายและมีผลร้ายแรงต่อสุขภาพมนุษย์การเกษตรการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพสภาพภูมิอากาศและคุณภาพอากาศ ผู้ป่วยโรคหัวใจและหลอดเลือดและโรคปอดที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและการเสียชีวิตที่เกี่ยวข้องเขม่ายังก่อให้เกิดการเสียชีวิตนับล้านทั่วโลกเป็นประจำทุกปีโดยส่วนใหญ่มาจากการปรุงอาหารในร่มและความร้อนในประเทศกำลังพัฒนา ซึ่งนำไปสู่การเสียชีวิตนับหมื่นคนในสหรัฐฯทุกปีส่วนใหญ่มาจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสู่บรรยากาศ ในการปล่อยสิ่งสกปรกในชั้นบรรยากาศเรียกว่าคาร์บอนสีดำ

นักวิจัยจาก Sandia Hope Michelsen กล่าวว่า "ด้วยการทำความเข้าใจถึงการสร้างเขม่าเรามีโอกาสที่ดีในการลดการปล่อยก๊าซอันตรายจากเครื่องยนต์ไฟป่าและเตาปรุงอาหารและควบคุมการผลิตและลักษณะระหว่างกระบวนการอุตสาหกรรม" เขม่า แต่ไม่มีใครสามารถอธิบายได้ว่าโมเลกุลของแก๊สเชื้อเพลิงกลายเป็นอนุภาคเขม่าอย่างไร

เธอกล่าวว่ากระบวนการสร้างเขม่าแตกต่างจากกระบวนการทั่วไปของโมเลกุลของแก๊สที่กลั่นตัวเป็นอนุภาคแทนที่จะต้องใช้ปฏิกิริยาทางเคมีอย่างรวดเร็วมากกว่าการควบแน่น

การแก้ปัญหานี้สามารถนำไปใช้กับสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงอื่น ๆ เช่นอวกาศระหว่างดวงดาวซึ่งมีอนุภาคของคาร์บอนฝุ่นจำนวนมากเกิดขึ้น

งานชิ้นเอกที่ได้รับการตีพิมพ์ในนิตยสาร Science magazine "ปฏิกิริยาลูกโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่เสถียรด้วยเรโซแนนซ์อาจทำให้เกิดการเกิดและการเติบโตของเขม่าขึ้นได้" ผู้เขียนรวมถึงนักวิจัย Sandia Michelsen, Olof Johansson และ Paul Schrader; เควินวิลสันจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley; และ Martin Head-Gordon จากมหาวิทยาลัย California, Berkeley และ Lawrence Berkeley National Lab

งานนี้ได้รับทุนจากสำนักงานพลังงานวิทยาศาสตร์พื้นฐานของกระทรวงพลังงาน "งานนี้แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่อันเป็นผลมาจากหลายปีของการสนับสนุนสำหรับการมุ่งเน้นการทำงานอย่างเป็นระบบในการพัฒนาความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับเคมีไฮโดรคาร์บอนที่มีอุณหภูมิสูง" Michelsen กล่าว

การตรวจสอบการเกิดก้น

มีการสร้างเขม่าในระหว่างการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเช่นน้ำมันก๊าซธรรมชาติและไม้ แม้ว่าจะมีผลเสียต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อมซุ๊มมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดต่อกระบวนการทางอุตสาหกรรมหลายอย่างเช่นประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำการผลิตแก้วและการสร้างผลิตภัณฑ์คาร์บอนแบล็กเพื่อเสริมแรงและผลิตภัณฑ์สียาง

แม้จะเป็นที่แพร่หลายและความสำคัญของเขม่าก็ตามเคมีพื้นฐานที่อธิบายว่าทำไมโมเลกุลในเปลวไฟติดกันที่อุณหภูมิสูงและอนุภาคแบบฟอร์มจึงยังคงเป็นปริศนาทางวิทยาศาสตร์อยู่จนถึงขณะนี้ Michelsen กล่าว

ในรูปแบบสุดท้ายเขม่าเป็นของแข็งคล้ายกับกราไฟท์ แต่แรกเกิดจากก๊าซไฮโดรคาร์บอน หลักฐานจากการทดลองแสดงให้เห็นว่ามันเปลี่ยนจากก๊าซเป็นของเหลวก่อนที่มันจะกลายเป็นของแข็ง นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามมาหลายสิบปีเพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว "คนส่วนใหญ่คุ้นเคยกับวิธีการที่ก๊าซของไอน้ำระเหยกลายเป็นหยดเมื่อเย็นลง Cooling มันจะเปลี่ยนเป็นน้ำแข็งแข็งของน้ำ Soot ต่าง" Michelsen กล่าว

อนุภาคมูลฝอยเกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลของแก๊สถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงและไม่สามารถหันกลับไปหาโมเลกุลของแก๊สได้อย่างที่หยดน้ำเมื่อถูกทำให้ร้อนขึ้น พันธะเคมีที่แข็งแรงมีอนุภาคเขม่าอยู่ด้วยกัน "การทำเขม่าจะคล้ายกับการอบเค้กมากกว่าที่จะเป็นเหมือนการควบแน่นน้ำเค้กของเหลวที่เกิดจากแป้งจะมีอุณหภูมิสูงจะกลายเป็นของแข็งที่มีเสถียรภาพ" Michelsen อธิบาย

นักวิทยาศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่าต้องมีการสร้างพันธะเคมีขึ้นเพื่อทำให้เกิดเขม่า อย่างไรก็ตามการก่อตัวของเขม่าอย่างรวดเร็วและนักวิจัยไม่เข้าใจว่าพันธะเคมีที่ต้องการจะเกิดขึ้นได้เร็วเพียงใด เพื่อให้ปัญหาเป็นเรื่องยากยิ่งขึ้นนักวิจัยยังไม่แน่ใจว่าโมเลกุลของแก๊สมีส่วนเกี่ยวข้องในการผลิตเขม่าอย่างไร

"เป็นการยากที่จะวัดในเปลวไฟ" Michelsen กล่าว "และโดยปราศจากการวัดสายพันธุ์โมเลกุลที่เข้าร่วมโครงการก็เหมือนกับการพยายามหาวิธีทำเค้กโดยไม่ต้องรู้ส่วนผสม"

ศึกษารูปแบบเปลวไฟที่รุนแรง

กุญแจสำคัญในการก่อตัวของเขม่าก็คือแอนติบอดีที่มีอนุมูลอิสระ Johansson กล่าว โดยทั่วไปแล้วโมเลกุลที่มีอนุมูลอิสระมีอิเล็กตรอนที่ไม่เท่าที่พวกเขาต้องการจะแบ่งปันซึ่งทำให้ปฏิกิริยาเหล่านี้มีปฏิกิริยา แต่แตกต่างจากอนุมูลอิสระส่วนใหญ่เหล่านี้อนุมูลอิสระมีเสถียรภาพอนุมูล unpaired อิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมในพันธบัตรอื่น ๆ ในโมเลกุล การแบ่งปันความหนาแน่นของอิเล็กตรอนระหว่างอิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับอนุพันธ์กับพันธบัตรอื่น ๆ ในโมเลกุลทำให้อนุมูลเหล่านี้มีเสถียรภาพกว่าอนุมูลอื่น ๆ แต่อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาเหล่านี้มีปฏิกิริยามากกว่าโมเลกุลขนาดใหญ่อื่น ๆ ที่ก่อตัวเขม่า การวัดที่ดำเนินการ ณ แหล่งกำเนิดแสงขั้นสูงที่ลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์แล็บแสดงให้เห็นลำดับของสายพันธุ์ที่รุนแรงเหล่านี้ในเปลวไฟทั้งหมดที่ศึกษา Michelsen กล่าวว่านักวิจัยคนอื่น ๆ ได้เห็นอนุมูลอิสระเหล่านี้และคิดว่าพวกมันอาจมีส่วนเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของเขม่า แต่ก็ดูเหมือนว่าจะไม่เพียงพอที่จะเป็นตัวขับเคลื่อนหลัก

"เราคิดว่าอนุมูลเหล่านี้สามารถเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่" Michelsen กล่าว

เมื่ออนุมูลเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่น ๆ พวกเขาสามารถสร้างอนุมูลอิสระที่มีเสถียรภาพและเรโซแนนซ์ได้ ในกระบวนการนี้พวกเขาจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรคาร์บอนของก๊าซชนิดอื่น ๆ และทำให้เกิดการเจริญเติบโตขึ้นเรื่อย ๆ อนุมูลอิสระเป็นส่วนหนึ่งของอนุภาคที่กำลังเติบโต

Johansson อธิบายว่า "เราทำการคำนวณเพื่อแสดงให้เห็นว่ากระบวนการนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว"

"มันดูง่ายมากเลยทีเดียว … เมื่อคุณรู้คำตอบแล้ว" Michelsen กล่าว กลไกทางเคมีมีความเกี่ยวข้องกับกระบวนการต่างๆที่มีอุณหภูมิสูงรวมถึงอนุภาคฝุ่นระหว่างดวงดาวที่ซึมผ่านกาแลคซีของเราเราตื่นเต้นมากที่ได้ปลดปล่อยความลึกลับของการสร้างเขม่าการสร้างอนุภาคคาร์บอนที่มีอยู่ในปัจจุบัน ล้นหลามบางส่วนของโลกอันเป็นผลมาจากการเกิดเพลิงไหม้ในป่าและอาจส่งผลร้ายแรงต่อสุขภาพของมนุษย์ "

สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ศาสตราจารย์วิลเลียมกรีนกล่าวว่าได้มีการสันนิษฐานว่าทางเดินที่เกี่ยวข้องกับอนุมูลอิสระที่มีเสถียรภาพอาจมีความสำคัญในการเกิดไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกและโพแทสเซียมเนื่องจากปฏิกิริยาที่ทราบยังไม่เร็วพอที่จะอธิบายถึงการเกิดเขม่าอย่างรวดเร็ว

"แท้จริงปฏิกิริยาตอบสนองเฉพาะเจาะจงของอนุมูลอิสระที่มีเสถียรภาพซึ่งนำไปสู่ ​​PAH เป็นที่รู้จักกันดี แต่จนถึงตอนนี้ไม่มีใครนำเสนอกลไกทั่วไปอันน่าเชื่อถือซึ่งได้รับการสนับสนุนจากการสังเกตการณ์เชิงทดลอง" กรีนกล่าว "ฉันหวังว่าจะได้รวมเอาแนวทางการเกิดปฏิกิริยาใหม่ที่เพิ่งค้นพบนี้เข้าไปในกลไกการสร้าง PAH ที่ครอบคลุมเพื่อกำหนดช่วงของสภาวะการเกิดปฏิกิริยาซึ่งสิ่งเหล่านี้ค้นพบใหม่มีความสำคัญ"

menu
menu