Ученые из МФТИ и ОИВТ РАН исследовали процесс сажеобразования при горении ацетилена на воздухе. Установлено, что содержание 15,4 % диметилэфира в топливной смеси уменьшает выход и размер частиц сажи, следовательно, минимизирует негативное воздействие на окружающую среду. Результаты исследований опубликованы в журнале «Физико-химическая кинетика в газовой динамике» и могут быть использованы в климатических моделях, а также при оптимизации процессов горения.
Изменение климата — одна из глобальных экологических проблем, стоящих сегодня перед обществом. Деятельность человека и природные явления, например, сейсмическая активность, вызывают повышение средней температуры воздуха у поверхности Земли.
На большинстве промышленных производств используют углеводородное топливо. Его сжигание сопровождается не только выделением энергии, но и выбросом вредных веществ, в частности сажи, которая нарушает тепловой баланс атмосферы. Сажей называют мельчайшие черные частицы углерода, которые образуются при неполном сгорании или термическом разложении органических соединений.
Чтобы исключить образование сажи, необходимо обеспечить полное сгорание топлива. В таком идеализированном процессе продуктами горения будут только вода и углекислый газ. На практике полноту сгорания топлива повышают различными способами: оптимизируют конструкцию и режим работы камер сгорания, увеличивают приток воздуха, вводят в топливно-воздушную смесь различные добавки. Ученые из МФТИ и ОИВТ РАН исследовали влияние добавки диметилэфира на процесс сажеобразования в пламени смеси ацетилен / воздух, где ацетилен является горючим газом, а кислород воздуха — окислителем.
Выбор в качестве добавки диметилэфира обусловлен тем, что он имеет высокую массовую долю кислорода (около 35 %), и в его структуре отсутствует прочная углерод-углеродная связь. В то же время использование одного диметилэфира как топлива экономически нецелесообразно из-за низкой теплоты сгорания.
Ученые проводили опыты на стандартной горелке при избытке топлива, который способствовал сажеобразованию. Концентрация частиц сажи фиксировались методом лазерной экстинкции. Под экстинкцией понимают ослабления пучка света при его распространении в среде из-за поглощения и рассеяния. Помимо лабораторных экспериментов также было выполнено моделирование процесса горения (Рисунок 1). Модель базировалось на современных представлениях о механизмах протекании окислительных реакций ацетилена и диметилэфира с течением времени.
«Мы получили данные о процессах образования и роста частиц сажи при горении топливных смесей различного состава, — говорит Александр Еремин, заведующий лабораторией неравновесных процессов ОИВТ РАН. — Во всех рассмотренных случаях выход сажи возрастал с увеличением высоты пламени и снижался с увеличением добавки диметилэфира».
Рисунок 1. Объемная доля частиц сажи f(ν), определенная методом лазерной экстинкции при длине волны 780 нм, (А) и расчетный выход сажи Y5 (B) в зависимости от высоты над срезом горелки. Состав топливной смеси: синий цвет — ацетилен / воздух, красный — (94,2 % ацетилена + 5,8 % диметилэфира) / воздух, черный — (84,6 % ацетилена + 15,4 % диметилэфира) / воздух. Источник: журнал «Физико-химическая кинетика в газовой динамике».
Образовавшуюся сажу ученые изучили методом просвечивающей электронной микроскопии. При реализации данного метода через исследуемый объект пропускают поток электронов. На выходе поток фокусируется в увеличенном размере электронными линзами на регистрирующей поверхности. В составе поверхности есть вещества, способные светиться, что позволяет получить изображение объекта, в данном случае — частиц сажи. В ходе исследований установлено, что размер частиц сажи лежит в диапазоне от 19 до 24 нм (Рисунок 2).
Рисунок 2. Средний размер частиц сажи, определенный методом просвечивающей электронной микроскопии на высоте пламени 19 мм, в зависимости от содержания диметилэфира в топливной смеси. Для топливной смеси ацетилен / воздух получен дополнительный образец на высоте 11 мм. Источник: журнал «Физико-химическая кинетика в газовой динамике».
Анализ данных показал, что добавка диметилэфира в количестве 5,8 % не оказывает существенного влияния на процесс сажеобразования в пламени ацетилен / воздух. Тогда как 15,4 % диметилэфира в топливной смеси существенно уменьшает выход, размер и поглощающую способность частиц сажи, соответственно, снижается негативное воздействие на окружающую среду.
«Мы обнаружили, что основная причина влияния диметилэфира на горение ацетилена связана с изменением закономерностей сажеобразования, зависящих от его концентрации и времени», — пояснила Алена Тимошенко, студентка кафедры физики высокотемпературных процессов Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ.
Подводя итог, можно сказать, что результаты работы ученых могут быть использованы в климатических моделях, а также при оптимизации процессов горения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 23-19-00407.
