El antiguo misterio de la formación de hollín, que los científicos de la combustión han estado tratando de explicar durante décadas, parece finalmente resolverse, gracias a la investigación dirigida por Sandia National Laboratories.
El hollín es omnipresente y tiene grandes efectos perjudiciales en la salud humana, la agricultura, la eficiencia del consumo de energía, el clima y la calidad del aire. El hollín, responsable de un aumento significativo de las tasas de enfermedades cardiovasculares y pulmonares y de las muertes asociadas, también contribuye a millones de muertes anualmente en todo el mundo., en gran parte por la cocina y la calefacción en interiores en los países en desarrollo. Causa decenas de miles de muertes en los EE. UU. cada año, principalmente por emisiones antropogénicas a la atmósfera. En la atmósfera, las emisiones de hollín se conocen como carbón negro.
"Al comprender la formación de hollín, tenemos una mejor oportunidad de poder reducir sus peligrosas emisiones de motores, incendios forestales y estufas de cocina y controlar su producción y características durante los procesos industriales", dijo la investigadora de Sandia, Hope Michelsen, y agregó que todossabe qué es el hollín, pero nadie ha podido explicar cómo las moléculas de combustible gaseoso se convierten en partículas de hollín.
Ella dijo que la formación de hollín resulta ser muy diferente del proceso típico de condensación de moléculas de gas en una partícula, en cambio, requiere reacciones químicas rápidas en lugar de condensación.
La solución también se puede aplicar a otras condiciones de alta temperatura, como el espacio interestelar, donde se forman grandes cantidades de partículas de polvo de carbono, dijo.
Este trabajo pionero fue publicado en a ciencia artículo de revista, "Las reacciones en cadena de hidrocarburos estabilizados por resonancia pueden explicar el inicio y el crecimiento del hollín". Los autores incluyen a los investigadores de Sandia Michelsen, Olof Johansson y Paul Schrader; Kevin Wilson del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; y Martin Head-Gordon de la Universidadde California, Berkeley y Lawrence Berkeley National Lab.
El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía. "El trabajo representa un enorme éxito científico como resultado de años de apoyo al trabajo enfocado y sistemático en el desarrollo de una comprensión fundamental de la química de los hidrocarburos de alta temperatura".dijo Michelsen.
formación de hollín examinada
El hollín se forma durante la combustión de combustibles de hidrocarburos, como el petróleo, el gas natural y la madera. Aunque tiene efectos perjudiciales para la salud y el medio ambiente, el hollín es extremadamente importante para muchos procesos industriales, como el rendimiento de las calderas, la producción de vidrio y el carbono.-generación de negro para el refuerzo de productos de caucho y pigmentos.
A pesar de la ubicuidad y la importancia del hollín, la química básica que explica por qué las moléculas en una llama se adhieren a altas temperaturas y forman partículas ha sido un rompecabezas científico hasta ahora, dijo Michelsen.
En su forma final, el hollín es un sólido muy similar al grafito, pero inicialmente se forma a partir de hidrocarburos gaseosos. La evidencia experimental indica que pasa de un gas a un líquido antes de convertirse en un sólido. Los científicos han estado tratando durante décadas de"La mayoría de la gente está familiarizada con cómo la fase gaseosa del agua vapor de agua se condensa en gotas cuando se enfría. Si se enfría más, se convertirá en hielo, la fase sólida del agua. El hollín es diferente", dijoMichelsen.
Las partículas de hollín se forman cuando las moléculas gaseosas se calientan a altas temperaturas, y no se convierten fácilmente en moléculas gaseosas como lo hacen las gotas de agua cuando se calientan. Los enlaces químicos fuertes mantienen unidas las partículas de hollín. "Hacer hollín es máscomo hornear una torta que como agua de condensación. Calentar la masa líquida de la torta a altas temperaturas la convierte en una forma sólida estable ", explicó Michelsen.
Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que se deben formar enlaces químicos para producir hollín. Sin embargo, la formación de hollín es rápida y los investigadores no entendían cómo los enlaces químicos requeridos podían formarse tan rápidamente. Para hacer el problema aún más difícil, los investigadores ni siquieraestar seguro de qué moléculas en fase gaseosa participaron en la producción de hollín.
"Es muy difícil hacer mediciones en una llama", dijo Michelsen, "y, sin mediciones de las especies moleculares participantes, es como intentar averiguar cómo se hace un pastel sin conocer los ingredientes".
Especies radicales de llamas estudiadas
Resulta que la clave para la formación de hollín son los radicales estabilizados por resonancia, dijo Johansson. En general, las moléculas que son radicales tienen electrones no apareados que quieren compartir, lo que las hace reactivas. Pero, a diferencia de la mayoría de los radicales, estas resonanciasLos radicales estabilizados tienen electrones no apareados que participan en otros enlaces de la molécula. Compartir la densidad electrónica entre los electrones no apareados y otros enlaces de la molécula hace que estos radicales sean más estables que otros radicales, pero, sin embargo, son más reactivos que la mayoría de los demás.moléculas grandes que forman hollín. Las mediciones realizadas en la fuente de luz avanzada en el Lawrence Berkeley Lab mostraron una secuencia de estas especies radicales en todas las llamas estudiadas. Michelsen dijo que otros investigadores habían visto estos radicales y pensaron que podrían estar involucrados en la formación de hollín, perono parecía haber suficientes para ser el conductor principal.
"Descubrimos que estos radicales pueden iniciar una reacción en cadena", dijo Michelsen.
Cuando estos radicales reaccionan con otras moléculas, pueden formar fácilmente nuevos radicales estabilizados por resonancia. En el proceso, reaccionan con otros hidrocarburos gaseosos y siguen creciendo, regenerando radicales como parte de la partícula en crecimiento.
Johansson explicó: "Realizamos cálculos para demostrar que este proceso debería ocurrir rápidamente".
"Es realmente bastante simple, bueno ... una vez que sepa la respuesta", dijo Michelsen. "El mecanismo químico es relevante para muchos procesos de alta temperatura, incluida la formación de partículas de polvo interestelar, que impregnan nuestra galaxiaEstamos muy emocionados por haber descubierto el misterio de la formación de hollín, la creación de partículas de carbono que actualmente están abrumando algunas partes del mundo como resultado de los incendios forestales y que pueden tener un efecto tan devastador en la salud humana ".
El profesor del Instituto de Tecnología de Massachusetts, William Green, dijo que se ha especulado durante mucho tiempo que las vías que involucran radicales estabilizados resonantemente podrían ser importantes en la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos HAP y hollín, ya que las reacciones conocidas no son lo suficientemente rápidas para explicar la rápida formación deHollín.
"De hecho, se conocen algunas reacciones específicas de radicales estabilizados resonantemente que conducen a HAP, pero hasta ahora nadie ha presentado un mecanismo general convincente respaldado por observaciones experimentales", dijo Green. Espero incorporar estas vías de reacción recién descubiertasen un mecanismo integral de formación de PAH, para determinar el rango de condiciones de reacción donde estas vías recién descubiertas son importantes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por DOE / Sandia National Laboratories . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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