En la mayoría de situaciones, romper cosas no es la mejor manera de resolver un problema. Sin embargo, a veces ocurre lo contrario si intenta caracterizar compuestos químicos complejos. Eso es lo que hicieron los científicos de Sandia National Laboratories, Nils Hansen y Scott Skeen, para identificar definitivamente los precursores de hollín que causan contaminación en una llama.

Los investigadores descubrieron hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) con cadenas laterales alifáticas, que han sido hipotetizados para servir como "semillas" para las partículas de hollín en las emisiones de los motores.

"Se ha formulado la hipótesis del papel de estas moléculas como precursores del hollín, y hay evidencia experimental indirecta de su presencia en la superficie del hollín extraído de las llamas, "dijo Skeen." Hasta ahora, sin embargo, nadie tenía prueba experimental definitiva de su existencia como componentes estables en la llama ".

Los compuestos recientemente reconocidos se pueden utilizar para crear modelos de combustión más detallados que, Sucesivamente, puede ayudar en el diseño de limpiadores, motores más eficientes que emiten menos hollín y menos hidrocarburos dañinos a la atmósfera.

Trabajando con el ex investigador postdoctoral de Sandia Brian Adamson y Musa Ahmed del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Hansen y Skeen publicaron el descubrimiento en el Revista de química física A . El financiamiento para la investigación provino del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Sandia, mientras que Ahmed cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía.

El equipo utilizó una técnica analítica llamada espectrometría de masas en tándem, utilizando un instrumento proporcionado por Lawrence Berkeley Lab y personalizado por Adamson, para detectar hidrocarburos aromáticos policíclicos en fase gaseosa con cadenas laterales alifáticas en llamas que producen hollín. algo nunca hecho antes.

El dispositivo quita un electrón para cargarlo, o ionizar, grandes moléculas extraídas de la llama, mide las masas de las moléculas y luego las identifica al caracterizar cómo se rompen las moléculas ionizadas.

El último descubrimiento se basa en investigaciones anteriores de Sandia

Trabajo reciente de la científica de Sandia Hope Michelsen, el tecnólogo Paul Schrader y el ex investigador postdoctoral Olof Johansson abrieron camino al identificar procesos químicos de reacción en cadena donde los hidrocarburos podrían formar hollín. Ese trabajo aumentó el desafío de detectar y caracterizar los compuestos que participan en estos procesos.

Un área de debate es si los subproductos químicos del hollín son hidrocarburos aromáticos policíclicos, hecho únicamente de grupos de átomos en forma de anillo, o contener extra, estructuras no cíclicas llamadas alquilo, o alifático, grupos. Estas cadenas de hidrocarburos pueden hacer que los enlaces entre los hidrocarburos aromáticos policíclicos sean más estables a las altas temperaturas de combustión. mayor que 3, 600 grados Fahrenheit.

"Sin el componente tándem de este nuevo espectrómetro de masas, Se obtiene la masa de cada molécula pero no se revela información sobre su estructura. Ves algo en la misa 78 en la misa 128, Etcétera, pero no sabes qué moléculas están representadas. Solo usa tu intuición química, ", Dijo Hansen." Piense en un espectrómetro de masas como un instrumento que clasifica un recipiente lleno de nueces mixtas en función del peso de cada nuez individual, pero al final todavía no sabes si clasificaste los cacahuetes, avellanas o nueces ".

El espectrómetro de masas en tándem personalizado que utilizó el equipo facilita la caracterización de la estructura de moléculas grandes al romperlas a través de colisiones de alta energía en una celda de disociación inducida por colisión.

"La espectrometría de masas normal puede decirle cuántos átomos de cada elemento están presentes en una molécula, pero no te dirá nada sobre cómo se unen esos átomos, "Adamson dijo." La espectrometría de masas en tándem con disociación inducida por colisión aísla moléculas de una sola masa y luego las separa. La forma en que se separan proporciona pistas sobre la estructura de la molécula madre ".

El equipo encontró evidencia directa de que existen hidrocarburos aromáticos policíclicos con puentes alifáticos y HAP con cadenas de alquilo en los gases muestreados de la llama formadora de hollín. Dichas especies pueden ser suficientemente estables a las altas temperaturas de combustión para servir como componentes clave en la formación incipiente de partículas de hollín.

El equipo también utilizó una configuración de llama especial para minimizar las interrupciones en la química de la llama causadas por el proceso de muestreo. Skeen dijo que la configuración implicó tomar muestras y examinar moléculas grandes de una llama similar a una vela invertida.

"En una vela, la cera sube por la mecha y luego se vaporiza antes de quemarse en el aire circundante. La llama parece amarilla porque las partículas de hollín se calientan mucho a medida que se mueven a través de la llama. ", Dijo Skeen." En esta configuración, Es imposible tomar muestras de partículas o moléculas de hollín que conducen a la formación de hollín sin perturbar la llama porque se debe insertar una sonda a través de la hoja de la llama.

"Para superar este problema, generamos una llama en la que el aire está en el centro de la llama con el combustible en el exterior, ", dijo." De esta manera, podemos sondear los gases de interés desde el exterior de esta llama "inversa". Esta es quizás la primera vez que una llama de este tipo se conecta a un espectrómetro de masas en tándem ".

El hollín debe filtrarse para motores más limpios

La búsqueda de precursores de hollín está motivada por la necesidad de motores más limpios que aún funcionen de manera eficiente. En determinadas condiciones de conducción, Las emisiones de diesel exceden las regulaciones gubernamentales. Esto ha llevado al uso de filtros de partículas que capturan de manera efectiva las partículas de hollín de los gases de escape de diesel. pero hacen que los vehículos sean significativamente más caros y menos eficientes. Los motores que producen menos hollín necesitarían filtros de partículas más pequeños, reduciendo costos y aumentando el ahorro de combustible.

Los fabricantes de motores suelen utilizar simulaciones por ordenador para mejorar los diseños de motores. Modelan la inyección de combustible, Procesos de combustión y formación de contaminantes. Skeen dijo que una mejor comprensión de cómo se producen los compuestos de hollín —específicamente la identificación definitiva de hidrocarburos aromáticos policíclicos con cadenas de alquilo adheridas— debería conducir a modelos que describan con mayor precisión los efectos de los parámetros de diseño del motor sobre las emisiones y la eficiencia.

"Si podemos entender la química, podemos desarrollar un modelo que permitirá a los diseñadores de motores optimizar los inyectores de combustible, flujos de aire y la forma de las superficies internas del motor, entre otras cosas, que mantendrá estos compuestos fuera de la atmósfera, "Dijo Skeen.

Pasos futuros para desarrollar nuevos modelos para la formación de hollín

Este descubrimiento de hidrocarburos aromáticos policíclicos con puentes alifáticos y sustituidos con alquilo en llamas hollín es solo el punto de partida para utilizar la espectrometría de masas en tándem para descifrar la compleja química de las emisiones contaminantes. dijo el equipo.

Usando esta técnica, Se podrían identificar potencialmente miles de tipos diferentes de compuestos. Incluso para los hidrocarburos aromáticos policíclicos más básicos, hay alrededor de cien formas diferentes en las que los átomos pueden unirse. Ver todos los diferentes arreglos presenta un desafío formidable. Ahmed continuará su trabajo con los científicos de Sandia y planea introducir la espectroscopía infrarroja para una identificación menos ambigua de los PAH sustituidos con alquilo y con puentes alifáticos en el hollín.

Los científicos de Sandia esperan colaborar con los científicos de datos para desarrollar más eficientes, modelos realistas de formación de hollín en el motor, en última instancia, lo que lleva a diseños para un limpiador, motores más eficientes.