Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Ученые исследовали процессы образования сажи из углеводородов
Исследователи из Объединенного института высоких температур РАН и МФТИ изучили сажеобразование в ходе пиролиза углеводородов. Итоги работы ученых можно использовать при моделировании процессов горения и производстве технического углерода.
Результаты исследований опубликованы в журнале «Кинетика и катализ». На большинстве промышленных предприятий применяют углеводородное топливо. В ходе его сгорания или пиролиза выделяется тепловая энергия и вредные вещества, в частности, сажа. Сажа представляет собой наночастицы аморфного углерода.
Любопытно, что в русском языке слово «сажа» ассоциируется исключительно с отходом. При этом есть заводы по производству сажи, только в этом случае ее именуют техническим углеродом. Характеристики технического углерода: размер частиц, плотность и пористость — зависят от условий его получения.
Оптимизация процессов горения углеводородов позволит снизить выбросы сажи, которая оказывает негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Кроме того, на предприятиях, где производят технический углерод, необходимо прогнозировать свойства углеродных наночастиц. Благодаря этому будет получен товарный продукт с нужными характеристиками. Данные обстоятельства мотивировали ученых из ОИВТ РАН и МФТИ изучить закономерности образования сажи при пиролизе органических веществ, включая не только углеводороды различной структуры: метан, ацетилен, этилен и бензол, — но и перспективные биотоплива, такие как этанол, диметиловый эфир, фуран и другие.
Для экспериментов ученые использовали ударную трубу стандартной конструкции (Рисунок 1). Ударной трубой называют установку, состоящую из двух камер, которые разделены диафрагмой. Камеру высокого давления заполняют толкающим газом, водородом или гелием, а камеру низкого давления — исследуемой смесью углеводородов. Вследствие разницы давлений происходит самопроизвольный разрыв диафрагмы, и по исследуемой газовой смеси распространяется ударная волна. После прохождения вдоль камеры низкого давления она отражается от торца трубы. За фронтом отраженной ударной волны формируется неподвижный объем газа с температурой, равной или превышающей характерные значения температур горения в промышленных установках. В данной работе исследования были проведены в диапазоне температур 1400─2500 K.
Объемную долю наночастиц сажи, образующихся при пиролизе исследуемых веществ, ученые определяли методом лазерной экстинкции. Под экстинкцией понимают ослабления пучка света в процессе его распространения в среде из-за поглощения и рассеяния на наночастицах.
Размер наночастиц устанавливали методом лазерно-индуцированной инкандесценции. Для этого сажу нагревали неодимовым лазером Nd:YAG. Параметры работы лазера следующие: длина волны — 1064 нм, длительность импульса — 12 нс, плотность энергии излучения — не более 0,1 Дж/см2. Вследствие теплообмена с окружающей средой сажа охлаждалась. Тепловое излучение наночастиц в течение их нагрева и последующего охлаждения регистрировали фотоэлектронными умножителями. Экспериментальные сигналы далее сопоставляли с расчетными, полученными в ходе моделирования. В основе модели лежит система уравнений, которые описывают законы сохранения массы и энергии для сферической наночастицы углерода.
Рисунок 2. Температурная зависимость объемной доли сажи при пиролизе за отраженными ударными волнами смеси аргона с углеводородом следующей концентрации (%): метаном (1) — 5, ацетиленом (2) — 3, этиленом (3) — 5, бензолом (4) — 0,25, диэтиловым эфиром (5) — 2,5, тетрагидрофураном (6) — 2,5, фураном (7) — 1. Время измерений — 1,5 мс / © А.В. Дракон и др., журнал «Кинетика и катализ»
Применение метода лазерной экстинкции на длине волны 633 нм показало диапазоны температур, которые соответствуют максимуму объемной доли сажи, образующейся при пиролизе разных углеводородов (Рисунок 2). Наибольшее количество сажи получено из бензола, примерно вполовину меньше — из ацетилена и фурана. Вместе с тем, бензол, тетрагидрофуран и диэтиловый эфир быстрее превращается в сажу, чем другие углеводороды. Из всех изученных соединений самый широкий температурный интервал сажеобразования у ацетилена. Размер частиц сажи находится в диапазоне 7─21 нм.
Во время пиролиза метанола, этанола, н-бутанола, диметилового эфира и диметоксиметана не зарегистрировано сигналов экстинкции. Следовательно, эти представители биотоплив не склонны к сажеобразованию в данных экспериментальных условиях.
«Мы установили, что больше всего сажи образуется из веществ с циклической структурой, а минимальные количества — из спиртов и линейных эфиров, не имеющих углерод-углеродных связей C – C, — говорит Александр Еремин, заведующий лабораторией неравновесных процессов ОИВТ РАН. — На основании полученных данных мы составили схему относительной склонности к сажеобразованию исследованных углеводородов, первое место в которой занимает бензол».
Данная схема показана ниже (Рисунок 3).
Рисунок 3. Схема относительной склонности углеводородов к сажеобразованию / © А.В. Дракон и др., журнал «Кинетика и катализ»
Ученые также смоделировали процесс пиролиза углеводородов в зависимости от времени. Вычисления выполнены с помощью модели CRECK, разработанной в Миланском политехническом университете. Установлено, что для ацетилена и бензола расчетные и экспериментальные значениями не согласуются. Объясняется это тем, что в модели CRECK не учтено участие полиинов в процессе образования сажевых частиц. Полиины — это органические соединения, молекулы которых содержат не менее трех тройных углерод-углеродных связей C ≡ C.
«Отсутствие полииного пути в механизме сажеобразования снижает прогностическую точность модели CRECK, — пояснил Василий Золотаренко, магистр Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики, МФТИ. — Из-за этого расчетный выход частиц углерода при пиролизе бензола и ацетилена сильно недооценен».
Результаты, полученные учеными, могут быть использованы для определения погрешностей и последующей корректировки существующих моделей горения и сажеобразования.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые не раз описывали, как живущие в дикой природе приматы, слоны и птицы изготавливали и применяли орудия, но о подобных примерах среди морских животных сообщалось реже. Недавно американские и британские исследователи китов наблюдали такое поведение у косаток: млекопитающие использовали обрывки водорослей по аналогии с мочалкой — в процессе взаимного груминга.
Боеголовки, размещенные на орбите, наносят удар быстро и по любой точке Земли — широко расхожая и в корне неверная картина. О планах космического базирования боеголовок пишут СМИ и спорят в интернете. Однако их размещение на орбите не дает боевых преимуществ: напротив, оно намного проигрывает МБР в эффективности. Разберемся, почему это так.
Нарастающий в последние десятки лет пластиковый кризис многие годы пытались решить наращиванием вторичной переработки пластика. Ученые выяснили, что такие переработанные полимеры негативно повлияли на развитие подопытных животных.
Выбросы углекислого газа, которые возникнут при сжигании доказанных запасов ископаемого топлива всего 200 компаний, будут настолько велики, что для их компенсации нужны новые леса в десятки миллионов квадратных километров. По крайней мере, так считают авторы новой научной работы. Однако исследование их предшественников ставит эти выводы под серьезное сомнение.
Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.
Нарастающий в последние десятки лет пластиковый кризис многие годы пытались решить наращиванием вторичной переработки пластика. Ученые выяснили, что такие переработанные полимеры негативно повлияли на развитие подопытных животных.
Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.
Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.
В ЮФУ придумали новый остроумный способ тестировать ИИ на способность работать в реальных ситуациях использования русского языка. Исследователи искусственного интеллекта из МИИ ИМ ЮФУ предлагают использовать интеллектуальные языковые игры, как пример — заставлять ИИ отвечать на вопросы из архива телевикторины «Что? Где? Когда?» и «Своей игры». Инициативу прокомментировал опытный игрок.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно