Briser le code pour la formation de suie - les scientifiques débloquent un mystère pour aider à réduire les émissions dangereuses

Anonim

Le mystère de longue date de la formation de suie, que les scientifiques de la combustion tentent d'expliquer depuis des décennies, semble être finalement résolu, grâce aux recherches menées par les laboratoires nationaux Sandia.

La suie est omniprésente et a des effets néfastes importants sur la santé humaine, l'agriculture, l'efficacité énergétique, le climat et la qualité de l'air. Responsable de l'augmentation significative des taux de maladies cardiovasculaires et pulmonaires et des décès associés, la suie contribue également à des millions de décès dans le monde chaque année, en grande partie par la cuisson et le chauffage intérieurs dans les pays en développement. Elle entraîne chaque année des dizaines de milliers de décès aux États-Unis, principalement dus aux émissions anthropiques dans l'atmosphère. Dans l'atmosphère, les émissions de suie sont appelées carbone noir.

"En comprenant la formation de suie, nous avons une meilleure chance de réduire ses émissions dangereuses provenant des moteurs, des incendies de forêt et des cuisinières et de contrôler sa production et ses caractéristiques au cours des processus industriels", a déclaré Hope Michelsen, chercheuse chez Sandia. la suie l'est, mais personne n'a été capable d'expliquer comment les molécules de carburant gazeux deviennent des particules de suie.

Elle a dit que la formation de suie se révélait très différente du processus typique de condensation des molécules de gaz dans une particule, nécessitant plutôt des réactions chimiques rapides plutôt que de la condensation.

La solution peut également s’appliquer à d’autres conditions à haute température, telles que l’espace interstellaire, où de grandes quantités de particules de poussière de carbone se forment, at-elle ajouté.

Ce travail révolutionnaire a été publié dans un magazine scientifique, «Les réactions en chaîne hydrocarbonée stabilisées par résonance peuvent expliquer la création et la croissance de la suie». Les auteurs incluent les chercheurs de Sandia, Michelsen, Olof Johansson et Paul Schrader; Kevin Wilson du laboratoire national Lawrence Berkeley; et Martin Head-Gordon de l'Université de Californie, Berkeley, et Lawrence Berkeley National Lab.

Les travaux ont été financés par le Bureau des sciences de l'énergie de base du Département de l'énergie. "Le travail représente un énorme succès scientifique grâce à des années de soutien pour un travail ciblé et systématique sur le développement d'une compréhension fondamentale de la chimie des hydrocarbures à haute température", a déclaré Michelsen.

Formation de suie examinée

La suie se forme lors de la combustion de combustibles hydrocarbonés, tels que le pétrole, le gaz naturel et le bois. Bien qu'il ait des effets nocifs sur la santé et l'environnement, la suie est extrêmement importante pour de nombreux processus industriels, tels que la performance des chaudières, la production de verre et la génération de noir de carbone pour le renforcement des produits en caoutchouc et les pigments.

En dépit de l'omniprésence et de l'importance de la suie, la chimie de base expliquant pourquoi les molécules d'une flamme collent entre elles à haute température et forme des particules est restée un casse-tête scientifique jusqu'à maintenant, a déclaré Michelsen.

Sous sa forme finale, la suie est un solide très similaire au graphite, mais il est initialement formé à partir d'hydrocarbures gazeux. Des preuves expérimentales indiquent qu'il passe d'un gaz à un liquide avant de devenir solide. Les scientifiques tentent depuis des décennies d'expliquer cette transition. "La plupart des gens savent comment la phase gazeuse de l'eau - la vapeur d'eau - se condense en gouttelettes lorsqu'elle se refroidit. En la refroidissant, elle se transformera en glace, la phase solide de l'eau. La suie est différente".

Les particules de suie se forment lorsque les molécules gazeuses sont chauffées à des températures élevées, et elles ne redeviennent pas facilement des molécules gazeuses comme le font les gouttelettes d'eau lorsqu'elles sont chauffées. De fortes liaisons chimiques retiennent les particules de suie. "Faire de la suie ressemble plus à la cuisson d'un gâteau qu'à la condensation de l'eau. Le chauffage de la pâte à gâteau liquide à des températures élevées la transforme en une forme solide stable", a expliqué Michelsen.

Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que des liaisons chimiques doivent être formées pour produire de la suie. Cependant, la formation de suie est rapide et les chercheurs n'ont pas compris comment les liaisons chimiques requises pouvaient se former si rapidement. Pour rendre le problème encore plus difficile, les chercheurs ne savaient même pas quelles molécules en phase gazeuse étaient impliquées dans la production de suie.

"Il est très difficile d'effectuer des mesures dans une flamme", a déclaré Michelsen, "et, sans les mesures des espèces moléculaires participantes, c'est comme essayer de comprendre comment un gâteau est fabriqué sans connaître les ingrédients."

Espèces de flammes radicales étudiées

Il s'avère que la clé de la formation de suie réside dans les radicaux stabilisés par résonance, a déclaré Johansson. En général, les molécules qui sont des radicaux ont des électrons non appariés qu'ils souhaitent partager, ce qui les rend réactifs. Mais, contrairement à la plupart des radicaux, ces radicaux stabilisés par résonance ont des électrons non appariés qui participent à d'autres liaisons dans la molécule. Le partage de la densité électronique entre les électrons non appariés et les autres liaisons de la molécule rend ces radicaux plus stables que les autres radicaux, mais ils sont néanmoins plus réactifs que la plupart des autres grosses molécules qui forment la suie. Les mesures effectuées à la source de lumière avancée du laboratoire Lawrence Berkeley ont montré une séquence de ces espèces radicales dans toutes les flammes étudiées. Michelsen a déclaré que d'autres chercheurs avaient vu ces radicaux et pensaient qu'ils pourraient être impliqués dans la formation de suie, mais il ne semblait pas y en avoir suffisamment pour être le principal moteur.

"Nous avons compris que ces radicaux peuvent déclencher une réaction en chaîne", a déclaré Michelsen.

Lorsque ces radicaux réagissent avec d'autres molécules, ils peuvent facilement former de nouveaux radicaux stabilisés par résonance. Dans le processus, ils réagissent avec d'autres hydrocarbures gazeux et continuent à croître, régénérant les radicaux dans le cadre de la particule en croissance.

Johansson a expliqué: "Nous avons effectué des calculs pour démontrer que ce processus devait se produire rapidement".

"C'est très simple, eh bien … une fois que vous connaissez la réponse", a déclaré Michelsen. "Le mécanisme chimique est pertinent pour de nombreux processus à haute température, y compris la formation de particules de poussière interstellaire, qui imprègnent notre galaxie. Nous sommes très enthousiastes d’avoir découvert le mystère de la formation de suie, la création de particules de carbone actuellement submerger certaines parties du monde à la suite d’incendies de forêt et qui peuvent avoir un effet dévastateur sur la santé humaine. "

Le professeur William Green, du Massachusetts Institute of Technology, a déclaré depuis longtemps que les voies impliquant des radicaux stabilisés par résonance pourraient jouer un rôle important dans la formation des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des suies.

"En effet, quelques réactions spécifiques de radicaux stabilisés par résonance conduisant à l'HTAP sont connues, mais jusqu'à présent, personne n'a présenté de mécanisme général convaincant appuyé par des observations expérimentales", a déclaré M. Green. "J'ai hâte d'intégrer ces voies de réaction récemment découvertes dans un mécanisme complet de formation de HAP, afin de déterminer la gamme de conditions de réaction dans lesquelles ces voies nouvellement découvertes sont importantes."

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