Спектральная зависимость оптической плотности среды в УФ и видимой областях при образовании сажи и полиароматических углеводородов при пиролизе углеводородов

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

В работе измерены температурные зависимости оптической плотности, отражающей образование полиароматических углеводородов и конденсированных частиц сажи при ударно-волновом пиролизе смесей метана, этилена, ацетилена и бензола с аргоном, на длинах волн 313, 405 и 633 нм в диапазонах температур 1500–2600 К и давлений 3.5–6.4 бар. Произведена оценка вклада конденсированной фазы в поглощение на длинах волн 313 и 405 нм. Определены температурные зоны наиболее интенсивного формирования полиароматических углеводородов и сажи при пиролизе исследуемых смесей. Наибольший выход полиароматических углеводородов и сажи наблюдался при пиролизе бензола, наименьший – при пиролизе метана и этилена. Отмечено, что максимум выхода полиароматических углеводородов и сажи в случае пиролиза ацетилена существенно сдвинут по температуре относительно других углеводородов, что свидетельствует об отличии кинетического механизма сажеобразования в случае пиролиза ацетилена.

Sobre autores

А. Еремин

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Email: mikheyeva@ihed.ras.ru
Rússia, Москва

В. Золотаренко

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН; Московский физико-технический институт

Email: mikheyeva@ihed.ras.ru
Rússia, Москва; Москва

М. Коршунова

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Email: mikheyeva@ihed.ras.ru
Rússia, Москва

Е. Михеева

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Autor responsável pela correspondência
Email: mikheyeva@ihed.ras.ru
Rússia, Москва

Bibliografia

  1. Bond T.C., Doherty S.J., Fahey D.W. et al. Bounding the Role of Black Carbon in the Climate System: A Scientific Assessment: Black Carbon in the Climate System // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118. № 11. P. 5380.
  2. Bhandari J., China S., Chandrakar K.K. et al. Extensive Soot Compaction by Cloud Processing from Laboratory and Field Observations // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. 11824.
  3. Lohmann U., Friebel F., Kanji Z.A., Mahrt F., Mensah A.A., Neubauer D. Future Warming Exacerbated by Aged-soot Effect on Cloud Formation // Nat. Geosci. 2020. V. 13. P. 674.
  4. Kennedy I.M. The Health Effects of Combustion-generated Aerosols // Proc. Combust. Inst. 2007. V. 31. № 2. P. 2757.
  5. Moorthy B., Chu C., Carlin D.J. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: From Metabolism to Lung Cancer // Toxicol. Sci. 2015. V. 145. № 1. P. 5.
  6. Liu Y., Roy S., Sarkar S., Xu J., Zhao Y., Zhang J. A Review of Carbon Dots and Their Composite Materials for Electrochemical Energy Technologies // Carbon Energy. 2021. V. 3. P. 795.
  7. Jiang H., Shao J., Zhu Y., Yu J., Cheng W., Yang H., Zhang X., Chen H. Production Mechanism of High-quality Carbon Black from High-temperature Pyro-lysis of Waste Tire // J. Hazard. Mater. 2023. V. 443. 130350.
  8. Liu Y., Wang Y., Wang H., Zhao P., Hou H., Guo L. Acetylene Black Enhancing the Electrochemical Performance of NiCo–MOF Nanosheets for Supercapacitor Electrodes // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 492. P. 455.
  9. Deng J., Wang L., Jin F., Hu Y.H. A Simple Approach Making Acetylene Black Electrocatalycally Active for Flexible Rechargeable Zinc–Air Batteries // J. Mater. Chem. A. 2021. V. 9. P. 11145.
  10. Wang H. Formation of Nascent Soot and Other Condensed-phase Materials in Flames // Proc. Combust. Inst. 2011. V. 33. № 1. P. 41.
  11. Shao C., Wang O., Zhang W., Bennett A., Li Y., Guo J., Im H.G., Roberts W.L., Violi A., Sarathy S.M. Elucidating the Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Involved in Soot Inception // Commun. Chem. 2023. V. 6. P. 223.
  12. Крестинин А.В., Кислов М.Б., Раевский А.В., Колесова О.И., Стесик Л.Н. К вопросу о механизме образования сажевых частиц // Кинетика и катализ. 2000. Т. 41. № 1. С. 102.
  13. Жильцова И.В., Заслонко И.С., Карасевич Ю.К., Вагнер Х.Г. Неизотермические эффекты в процессе сажеобразования при пиролизе этилена за ударными волнами // Кинетика и катализ. 2000. Т. 41. № 1. С. 87.
  14. Eaves N.A., Dworkin S.B., Thomson M.J. Assessing Re-lative Contributions of PAHs to Soot Mass by Rever-sible Heterogeneous Nucleation and Condensation // Proc. Combust. Inst. 2017. V. 36. № 1. P. 935.
  15. Gleason K., Carbone F., Sumner A.J., Drollette B.D., Plata D.L. Gomez A. Small Aromatic Hydrocarbons Control the Onset of Soot Nucleation // Combust. Flame. 2021. V. 223. P. 398.
  16. Commodo M., Kaiser K., De Falco G., Minutolo P., Schulz F., D’Anna A., Gross L. On the Early Stages of Soot Formation: Molecular Structure Elucidation by High-resolution Atomic Force Microscopy // Combust. Flame. 2019. V. 205. P. 154.
  17. Desgroux P., Mercier X., Thomson K.A. Study of the Formation of Soot and Its Precursors in Flames Using Optical Diagnostics // Proc. Combust. Inst. 2013. V. 34. P. 1713.
  18. Mercier X., Carrivain O., Irimiea C., Faccinetto A., Therssen E. Dimers of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: the Missing Pieces in the Soot Formation Pro-cess // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. V. 21. P. 8282.
  19. Zhang Y., Xiao B., Li Y., Liu P., Huang Z., Lin H. LIF Diagnostics for Selective and Quantitative Mea-surement of PAHs in Laminar Premixed Flames // Combust. Flame. 2020. V. 222. P. 5.
  20. Apicella B., Carpentieri A., Alfe M., Barbella R., Tregrossi A., Pucci P., Ciajolo A. Mass Spectrometric Analysis of Large PAH in a Fuel-rich Ethylene Flame // Proc. Combust. Inst. 2007. V. 31. P. 547.
  21. Adamson B.D., Skeen S.A., Ahmed M., Hansen N. Detection of Aliphatically Bridged Multi-care Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Sooting Flames with Atmospheric-sampling High-resolution Tandem Mass Spectrometry // J. Phys. Chem. A. 2018. V. 122. P. 9338.
  22. Apicella B., Tregrossi A., Oliano M.M., Russo C., Ciajolo A. On-line Fast Analysis of Light Hydrocarbons, PAH and Radicals by Molecular-beam Time of Flight Mass Spectrometry // Chemosphere. 2021. V. 276. 130174.
  23. Zabeti S., Drakon A., Faust S., Dreier T., Welz O., Fikri M., Schulz C. Temporally and Spectrally Resolved UV Absorption and Laser Induced Fluorescence Measurements During the Pyrolysis of Toluene Behind Reflected Shock Waves // Appl. Phys. B: Lasers Opt. 2015. V. 118. № 2. P. 295.
  24. Drakon A., Eremin A., Korshunova M., Mikheyeva E. PAH Formation in the Pyrolysis of Benzene and Dimethyl Ether Mixtures Behind Shock Waves // Combust. Flame. 2021. V. 232. 111548.
  25. Дракон А.В., Еремин А.В., Золотаренко В.Н., Коршунова М.Р., Михеева Е.Ю. Экспериментальное исследование образования полиароматических углеводородов и сажи при пиролизе этилена с добавками диметилового, диэтилового эфиров, диметоксиметана // ФГВ. 2023. Т. 59. № 2. С. 69.
  26. Bauer F.J., Degenkolb U.J., Huber F.J.T., Will S. In situ Characterization of Absorbing Species in Stationary Premixed Flat Flames Using UV-Vis Absorption Spectroscopy // Appl. Phys. B. 2021. V. 127. № 8. P. 115.
  27. Alcanzare R.J. Polycyclic Aromatic Compounds in Wood Soot Extracts from Henan, China. Master of Science in Chemical Engineering, Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College, 2006. doi: 10.31390/gradschool_theses.2377.
  28. Wan K., Shi X., Wang H. Quantum Confinement and Size Resolved Modeling of Electronic and Optical Properties of Small Soot Particles // Proc. Combust. Inst. 2021. V. 38. P. 1517.
  29. Гуренцов Е.В., Еремин А.В., Колотушкин Р.Н., Ходыко Е.С. Корреляция изменения оптических свойств частиц сажи, синтезированных в пламени предварительно перемешанных газов, с ростом их среднего размера // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2022. № 12. C. 35.
  30. Migliorini F., Belmuso S., Maffi S., Donde R., De Iuliis S. In-flow Optical Characterization of Flame-generated Carbon Nanoparticles Sampled from a Premixed Flame // Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. 15702.
  31. Minutolo P., Gambi G., D’Alessio A. The Optical Band Gap Model in the Interpretation of the UV-visible Absorption Spectra of Rich Premixed Flames // Symp. (Int.) Combust., [Proc]. 1996. V. 26. P. 951.
  32. D’Alessio A., D’Anna A., Gambi G., Minutolo P. The Spectroscopic Characterization of UV Absorbing Nanoparticles in Fuel Rich Soot Forming Flames // J. Aerosol Sci. 1998. V. 29. № 4. P. 397.
  33. Simonsson J., Olofsson N.-E., Torok S., Bengtsson P.-E. Wavelength Dependence of Extinction in Sooting Flat Premixed Flames in the Visible and Near-infrared Regimes // Appl. Phys. B. 2015. V. 119. P. 657.
  34. Kirchstetter T.W., Novakov T. Evidence That the Spectral Dependence of Light Absorption by Aerosols is Affected by Organic Carbon // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. D21208.
  35. Widman J.F., Duchez J., Yang J.C., Conny J.M., Mulholland G.W. Measurement of the Optical Extinction Coefficient of Combustion-generated Aerosol // Aerosol Sci. 2005. V. 36. P. 283.
  36. Schnaiter M., Gimmler M., Llamas I., Linke C., Jager C., Mutschke H. Strong Spectral Dependence of Light Absorption by Organic Carbon Particles Formed by Propane Combustion // Atmos. Chem. Phys. 2006. V. 6. P. 2981.
  37. Bescond A., Yon J., Ouf F.-X., Roze C., Coppalle A., Parent P., Ferry D., Laffon C. Soot Optical Properties Determined by Analyzing Extinction Spectra in the Visible Near-UV: Toward an Optical Speciation According to Constituents and Structure // J. Aerosol Sci. 2016. V. 101. P. 118.
  38. Russo C., Apicella B., Tregrossi A., Ciajolo A., Le K.C., Torok S., Bengtsson P.-E. Optical Band Gap Analysis of Soot and Organic Carbon in Premixed Ethylene Flames: Comparison of in-situ and ex-situ Absorption Measurements // Carbon. 2019. V. 158. P. 89.
  39. Picca F., Sasso F., Commodo M., Minutolo P. A Filter-based Approach for the Measurement of Mass Absorption Coefficient of OC and EC Components in Soot // Combust. Sci. Technol. 2023. V. 195. № 14. P. 3529.
  40. Michelsen H.A., Colket M.B., Bengtsson P.-E., D’Anna A., Haynes B.S., Miller J.H., Nathan G.J., Pitsch H., Wang H. A Review of Terminology Used to Describe Soot Formation and Evolution under Combustion and Pyrolytic Conditions // ASC Nano. 2020. V. 14. № 10. P. 12470.
  41. Eremin A. Formation of Carbon Nanoparticles from the Gas Phase in Shock Wave Pyrolysis Processes // Prog. Energy Combust. Sci. 2012. V. 38. P. 1.
  42. Bauerle St., Karasevich Y., Slavov St., Tanke D., Tappe M., Thienel Th., Wagner H.GG. Soot Formation at Elevated Pressures and Carbon Concentrations in Hydrocarbon Pyrolysis // Symp. (Int.) Combust., [Proc]. 1994. V. 25. P. 627.
  43. Kellerer H., Muller A., Bauer H.-J. Wittig S. Soot Formation in a Shock Tube under Elevated Pressure Conditions // Combust. Sci. Technol. 1996. V. 113. P. 67.
  44. Knorre V.G., Tanke D., Thienel Th., Wagner H.Gg. Soot Formation in the Pyrolysis of Benzene/Acetylene and Acetylene/Hydrogen Mixtures at High Carbon Concentrations // Symp. (Int.) Combust., [Proc]. 1996. V. 26. P. 1996.
  45. Starke R., Roth P. Soot Particle Sizing by LII During Shock Tube Pyrolysis of C6H6 // Combust. Flame. 2002. V. 127. P. 2278.
  46. De Iuliis S., Chaumeix N., Idir M., Paillard C.-E. Scattering/Extinction Measurements of Soot Formation in a Shock Tube // Exp. Therm. Fluid Sci. 2008. V. 32. P. 1354.
  47. Eremin A., Gurentsov E., Mikheyeva E. Experimental Study of Molecular Hydrogen Influence on Carbon Particle Growth in Acetylene Pyrolysis Behind Shock Waves // Combust. Flame. 2012. V. 159. P. 3607.
  48. Eremin A., Gurentsov E., Mikheyeva E. Experimental Study of Temperature Influence on Carbon Particle Formation in Shock Wave Pyrolysis of Benzene and Benzene–Ethanol Mixtures // Combust. Flame. 2015. V. 162. № 1. P. 207.
  49. Агафонов Г.Л., Билера И.В., Власов П.А., Колбановский Ю.А., Смирнов В.Н., Тереза А.М. Образование сажи при пиролизе и окислении ацетилена и этилена в ударных волнах // Кинетика и катализ. 2015. Т. 56. № 1. С. 15.
  50. Агафонов Г.Л., Билера И.В., Власов П.А., Жильцова И.В., Колбановский Ю.А., Смирнов В.Н., Тереза А.М. Единая кинетическая модель сажеобразования при пиролизе и окислении алифатических и ароматических углеводородов в ударных волнах // Кинетика и катализ. 2016. Т. 57. № 5. С. 571.
  51. Nativel D., Herzler J., Krzywdziak S., Peukert S., Fikri M., Schulz C. Shock-tube Study of the Influence of Oxygenated Additives on Benzene Pyrolysis: Measurement of Optical Densities, Soot Inception Times and Comparison with Simulations // Combust. Flame. 2022. V. 243. 111985.
  52. Nativel D., Peukert S., Herzler J., Drakon A., Kor-shunova M., Mikheyeva E. Shock-tube Study on the Influence of Oxygenated Co-reactants on Ethylene Decomposition under Pyrolysis Conditions // Proc. Combust. Inst. 2023. V. 39. № 1. P. 1099.
  53. Cuoci A., Frassoldati A., Faravelli T., Ranzi E. OpenSMOKE++: An Object-oriented Framework for the Numerical Modeling of Reactive Systems with Detailed Kinetic Mechanisms // Comput. Phys. Commun. 2015. V. 192. P. 237.
  54. Saggese C., Ferrario S., Camacho J., Cuoci A., Frassoldati A., Ranzi E., Wang H., Faravelli T. Kinetic Mo-deling of Particle Size Distribution of Soot in a Premixed Burner-stabilized Stagnation Ethylene Flame // Combust. Flame. 2015. V. 162. № 9. P. 3356.
  55. Saggese C., Cuoci A., Frassoldati A., Ferrario S., Camacho J., Wang H., Faravelli T. Probe Effects in Soot Sampling from a Burner-stabilized Stagnation Flame // Combust. Flame. 2016. V. 167. P. 184.
  56. Pejpichestakul W., Cuoci A., Frassoldati A., Pelucchi M., Parente A., Faravelli T. Buoyancy Effect in Sooting Laminar Premixed Ethylene Flame // Combust. Flame. 2019. V. 205. P. 135.
  57. Emelianov A., Eremin A., Gurentsov E., Makeich A., Jander H., Wagner H.Gg., Roth P., Starke R. Time and Temperature Dependence of Carbon Particle Growth in Various Shock Wave Pyrolysis Processes // Proc. Combust. Inst. 2005. V. 30. P. 1433.
  58. Emelianov A., Eremin A., Gurentsov E., Mikheyeva E., Yurischev M. Experimental Study of Soot Size Decrease with Pyrolysis Temperature Rise // Proc. Combust. Inst. 2015. V. 35. № 2. P. 1753.
  59. Гуренцов Е.В., Дракон А.В., Еремин А.В., Колотушкин Р.Н., Михеева Е.Ю. Влияние размеров и структуры сажевых частиц, синтезированных при пиролизе и горении углеводородов, на их оптические свойства // ТВТ. 2022. Т. 60. № 3. С. 374.
  60. Eremin A.V., Gurentsov E.V., Kolotushkin R.N. The Change of Soot Refractive Index Function along the Height of Premixed Ethylene/Air Flame and Its Correlation with Soot Structure // Appl. Phys. B. 2020. V. 126. P. 125.
  61. Jolly A., Benilan Y. Review of Quantitative Spectroscopy of Polyynes // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2008. V. 109. P. 963.
  62. Busillo E., Vlasov P., Arutyunov V. Influence of Oxygen on Soot Formation During Acetylene Pyrolysis // Mendeleev Commun. 2022. V. 32. P. 700.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024