Speakers
Description
Вопрос образования сажевых частиц в процессах горения и пиролиза углеводородов представляет интерес по причине повсеместного использования углеводородных топлив в промышленности, вследствие эксплуатации которых в атмосферу выбрасываются сажевые частицы и их прекурсоры – полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Сажа способствует глобальному потеплению [1], а многие соединения ПАУ являются канцерогенами [2]. Таким образом разработка моделей, описывающих выход сажи и ПАУ является важной задачей с точки зрения охраны окружающей среды и здоровья человека.
В работе были проведены исследования процессов пиролиза различных углеводородов (метана, этилена, ацетилена и бензола) за ударной волной. Углеводороды были разбавлены значительной долей аргона для предотвращения насыщения сигнала экстинкции. Исследования проводились на однодиафрагменной ударной трубе стандартной конструкции. С помощью метода экстинкции на разных длинах волн: 633, 405 и 313 нм, были получены температурные зависимости поглощения реагирующих смесей. Короткие длины волн позволяли отслеживать не только поглощение, обусловленное углеродными частицами, но и поглощение от молекулярных компонент реагирующей смеси. Согласно литературным данным [3] о сечении поглощения ПАУ, при уменьшении молекулярной массы соединения уменьшается максимальная длина волны, на которой можно наблюдать поглощения от данной компоненты смеси. Таким образом, на длине волны 405 нм возможно наблюдать поглощения обусловленное наличием в смеси ПАУ c 5 бензольными кольцами и больше, на длине волны 313 нм – с 2 бензольными кольцами и больше.
Полученные температурные зависимости оптической плотности имеют характерную «колоколообразную» форму для всех длин волн и всех исследованных смесей углеводородов за исключением поглощения в смеси ацетилена на 313 нм. В этом случае зависимость, достигая максимума, сохраняет примерно постоянное значение при дальнейшем увеличении температуры реагирующей смеси. Из экстинкции на длине волны 633 нм можно заключить, что наибольший выход сажи наблюдается в смесях бензола и ацетилена, наименьший – в смесях метана и этилена.
Для оценки поглощения от частиц и от молекулярных компонент смеси на длинах волн 405 и 313 нм были использованы литературные данные о спектральной зависимости оптических свойствах наночастиц углерода [4,5]. Проведенные оценки показали наличие значительного поглощения молекулярных компонент в смесях бензола и ацетилена на правой ветви «колокола», которое возможно объяснить наличием в смеси полиинов.
Было проведено кинетическое моделирование процессов, исследованных экспериментально, методами химической кинетики с использованием кинетического механизма группы CRECK. Результаты моделирования расходятся с экспериментальными результатами – выход сажи, согласно расчету, оказался наименьшим в смесях бензола и ацетилена. Такое расхождение можно объяснить отсутствием в кинетической схеме реализации полииновой модели образования частиц. В схеме присутствуют диацетилен и триацетилен, выход которых из бензола и ацетилена значительный и наибольший из рассматриваемых углеводородов и в дальнейшем углерод, запасенный в этих молекулах, не расходуется на рост и образование сажи.
По результатам проделанной работы получены температурные зависимости оптической плотности реагирующих смесей углеводородов на длинах волн 633 нм, 405 нм и 313 нм, показано, что характерная «колоколообразная» зависимость сохраняется при уменьшении длины волны зондирующего излучения кроме случая ацетилена на длине волны 313 нм. Наибольший выход сажи наблюдался в бензоле и ацетилене. Проведена оценка поглощения, обусловленного частицами на длинах волн 313 нм и 405 нм, из которой показано, что левая и правая ветви «колоколов» на данных длинах волн не могут быть объяснены только поглощением частиц и в экспериментах наблюдалось поглощение молекулярных компонент смеси. Проведено кинетическое моделирование процессов пиролиза исследованных в эксперименте углеводородов, показано, что расчетный выход сажи противоречит экспериментальным данным. Возможная причина того, что в кинетическом моделировании выход сажи из бензола и ацетилена меньше, чем выход сажи из метана и этилена заключается в отсутствии полиинового пути образования сажи.
- Bond T. C. [et al.]. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment // J. Geophys. Res. Atmos. 2013. V. 118. P. 5380–5552
- Moorthy B. [et al.]. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: From Metabolism to Lung Cancer // Toxicol. Sci. 2015. V. 145. P. 5–15
- Bauer F. J. [et al.]. In situ characterisation of absorbing species in stationary premixed flat flames using UV–Vis absorption spectroscopy // Appl. Phys. B. 2021. V. 127. № 115.
- Gurentsov E. V. [et al.]. Effect of the Size and Structure of Soot Particles Synthesized During Pyrolysis and Combustion of Hydrocarbons on Their Optical Properties // High Temp. 2022. V. 60. P. 374-384.
- Migliorini F. [et al.]. In-flow optical characterization of flame-generated carbon nanoparticles sampled from a premixed flame // Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. 15702.
