alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2017.10-12.086-093alternative-1025Research ArticleКОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫЭКСТИНКЦИЯ В АНСАМБЛЕ ЧАСТИЦ САЖИEXTINCTION IN THE SOOT PARTICLES ENSEMBLEВасильеваО. В.VasilevaO. V.

аспирант, старший преподаватель кафедры прикладной физики и нанотехнологий

Ph.D. Student, Senior Lecturer at the Department of Applied Physics and Nanotechnology

dprostokvashino@rambler.ruКсенофонтовС. И.KsenofontovS. I.

канд. физ.-мат. наук, профессор кафедры общей и теоретической физики

Ph.D. (physics and mathematics), Professor at the Department of General and Theoretical Physics

dprostokvashino@rambler.ruЧувашский государственный университет имени И.Н. УльяноваРоссияChuvash State University named after I.N. UlyanovaRussian FederationЧувашский государственный педагогический университет имени И.Я. ЯковлеваРоссияChuvash State Pedagogical University named after I.Y. YakovlevRussian Federation201717052017010-128693Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1025

Образование частиц сажи при сжигании углеводородного топлива связано с неполнотой его сгорания – степень химического недожога может достигать 10–15 %. Изучена экстинкция сажи, образующейся в пламени углеводородных топлив. Частицы сажи могут проявлять себя как однородная структура или содержать многообразные функциональные группы, связанные с углеродным скелетом. Определение наличия молекул и их осколков или иных химических связей в веществе осуществлялось с помощью Фурье-спектрометра ФСМ-1201. Спектрограммы анализируемых образцов записывались в диапазоне частот 4 000–400 см-1. Сильное поглощение излучения в широком спектральном диапазоне 4 000–500 см-1 характерно для образцов сажи предельных углеводородных топлив. Поглощение излучения радикалами С = С, СН, СН2, СН3 в диапазоне частот 3 000–1 000 см-1 и гидроксильной ОН-группой в диапазоне частот 3 600–3 200 см-1 характерно для образцов сажи ароматических соединений. Выявлено наличие наноструктур типа С60 (ν = 1 430 см-1) и С70 (ν = 1 460 см-1). Углеродные нанотрубки, выращенные каталитическим путем из метана, как бездефектные структуры обладают высокой прозрачностью. Наблюдается наличие линий поглощения радикалами С = С, СН, СН2, СН3 в диапазоне частот 1 800–1 000 см-1. Частицы сажи являются основным излучателем в инфракрасной области спектра, определяющим эмиссионную способность пламени. Определены активные центры в ансамбле частиц сажи, места дислокации и характер их структуры, проявляющиеся при термическом воздействии (дожигании). Частицы сажи с более развитой поверхностью обладают меньшим временем индукции реагирования с кислородом воздуха и большей активностью. Время индукции активных центров в высокодисперсной саже значительно выше.

 

 

 

 

The formation of soot particles during the combustion of hydrocarbon fuel relates to the incomplete combustion. The degree of chemical unburnt can reach 10–15%. The paper studies the soot extinction in hydrocarbon flames. Soot particles can reveal itself as a homogeneous structure or contain multiple functional groups bound to the carbon skeleton. The presence of molecules and their fragments or other chemical bonds in the substance was determined by Fourier Transform Infrared Spectrometer FTIR-1201. Spectrograms of analyzed samples were recorded in the range of 4000 cm-1 to 400 cm-1. Strong absorption in a wide spectral range of 4000 cm-1 to 500 cm-1 is typical to the soot samples of saturated hydrocarbons. Radiation absorption by radicals С = С, СН, СН2, СН3 in a spectral range of 3000 cm-1 to 1000 cm-1 and hydroxyl OH-group in a spectral range of 3600 cm-1 to 3200 cm-1 is typical to the soot samples of aromatics. The paper detects some nanostructures as С60 (ν = 1430 cm-1) and С70 (ν = 1460 cm-1). Carbon nano-tubes grown by catalytic methane as defect-free structure have high transparency. Strong absorption lines by С = С, СН, СН2, СН3 were observed in the range of 1800 cm-1 to 1000 cm-1. Soot particles are the main radiator in the IR-region which determines flame’s emission ability. During thermal exposure (afterburning), active centers were identified in the soot particles ensemble, along with their location and the nature of their structure. Soot particles with more developed surface have a shorter induction time of reacting with oxygen in the air and are more active. The induction time of active centers in highly disperse soot is much higher.

 

 

 

 

экстинкциячастицы сажиспектр поглощенияФурье-спектрометррадикалыактивные центрыextinctionsoot particlesabsorption spectrumFourier Transform Infrared Spectrometerradicalsactive centersReferencesКорольченко, А.Я. Процессы горения и взрыва / А.Я. Корольченко. – М.: Пожнаука, 2007. – 266 с.Korolchenko A.Ya. Combustion and explosion processes (Protsessy goreniya i vzryva). Moscow: Pozhnauka Publ., 2007, 266 p. (in Russ.).Блазовский, В.С. Зависимость сажеобразования от характеристик смеси топлива и условий горения [Текст] / В.С. Блазовский // Энергетические машины и установки. – 1980. – Т. 102. – № 2. – С. 150–158.Blazovskii V.S., Zakharov V.M., Poleshchuk I.Z. Dependence of soot formation on the characteristics of the fuel mixture and combustion conditions (Zavisimost' sazheobrazovaniya ot kharakteristik smesi topliva i uslovii goreniya. Energeticheskie mashiny i ustanovki, 1980;102(2):150–158 (in Russ.).Бакиров, Ф.Г. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив [Текст] / Ф.Г. Бакиров, В.М. Захаров, И.З. Полещук. – М.: Машиностроение, 1989. – 94 с.Bakirov F.G. Formation and burnout of soot during combustion of hydrocarbon fuels (Obrazovanie i vygoranie sazhi pri szhiganii uglevodorodnykh topliv). Moscow: Mashinostroenie Publ., 1989, 94 p. (in Russ.).Теснер, П.А. Зародыши сажевых частиц – радикалы [Текст] / П.А. Теснер // Физика горения и взрыва. – 1992. – Т. 28. – № 3. – С. 49–52.Tesner P.A. The embryos of soot particles are radicals (Zarodyshi sazhevykh chastits – radikaly). Fizika goreniya i vzryva, 1992;28(3):49–52 (in Russ.).Krestinin, A.V. On the Mechanism of Soot Formation from Acetylene [Text] / A.V. Krestinin // Chem. Phys. Reports. – 1994. – Vol. 13(1). – P. 191–210.Krestinin A.V. On the Mechanism of Soot Formation from Acetylene. Chem. Phys. Reports, 1994;13(1):191–210 (in Eng.).Krestinin, A.V. Detailed modelling of soot formation in hydrocarbon pyrolysis [Text] / A.V. Krestinin // Combustion Flame. – 2000. – Vol. 121. P. 513–524.Krestinin A.V. Detailed modelling of. soot. formation in hydrocarbon. Pyrolysis. Combustion Flame, 2000;121:513–524 (in Eng.).Stanmore, B.R. The Oxidation of Soot: A Review of Experiments, Mechanisms and Models [Text] / B.R. Stanmore, J.F. Brilhac, P. Gilot // Carbon. – 2001. – Vol. 39. – P. 2247–2268.Stanmore B.R., Brilhac J.F., Gilot P. The Oxidation of Soot: A Review of Experiments, Mechanisms and Models. Carbon, 2001;39:2247–2268 (in Eng.).Гриценко, А.И. Физические методы переработки и использование газа. Учебное пособие / А.И. Гриценко, И.А. Александров, И.А. Галанин. – М.: Недра, 1981. – 224 с.Gritsenko A.I., Aleksandrov I.A., Galanin I.A.Physical methods of processing and use of gas (Fizicheskie metody pererabotki i ispol'zovanie gaza). Moscow: Nedra Publ., 1981, 224 p. (in Russ.).Мансуров, З.А. Сажеобразование в процессах горения [Текст] / З.А. Мансуров // Физика горения и взрыва. – 2005. – Т. 41. – № 6. – С. 137–156.Mansurov Z.A. Soot formation in combustion processes (Sazheobrazovanie v protsessakh goreniya). Fizika goreniya i vzryva, 2005;41(6):137–156 (in Russ.).Baum, T. Fullerene ions and their relation to PAH and soot in low-pressure hydrocarbon flames [Text] / T. Baum, P. Loffler, P. Weilmunster, K. – H. Homman // Ber. Bunsenges Phys. Chem. – 1992. – Vol. 96. – P. 841–857.Baum T., Loffler P., Weilmunster P., Homman K.-H. Fullerene ions and their relation to PAH and soot in low-pressure hydrocarbon flames. Ber. Bunsenges Phys. Chem., 1992;96:841–857 (in Eng.).Chowdhury, K.D. Fullerenic nanostructures in flame [Text] / K.D. Chowdhury, J.B. Howard, J.B. Vander Sande // J. Mater. Res. – 1996. – Vol. 11. – P. 341–347.Chowdhury K.D., Howard J.B., Vander Sande J.B. Fullerenic nanostructures in flame. J. Mater. Res., 1996:11;341–347 (in Eng.).Grieco, W.J. Fullerenic carbon in combustion-generated soot [Text] / W.J. Grieco, J.B. Howard, L.C. Rainey // Carbon. – 2000. – Vol. 38. – P. 597–614.GriecoW.J., Howard J.B., Rainey L.C. Fullerenic carbon in combustion-generated soot. Carbon, 2000;38:597–614 (in Eng.).Gusev, A.L. Development and Making of a Hybrid Nitrogen-Hydrogen Vehicle [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/315573030_A L_Gusev – (Дата обращения: 22.09.2016).Gusev A.L. Development and Making of a Hybrid Nitrogen-Hydrogen Vehicle [E-resource]. Available at: https://www.researchgate.net/publication/315573030_A L_Gusev (22.09.2016) (in Eng.).Сергиенко, И.А. Особенности испускательных и поглощательных характеристик частиц сажи при температуре горения [Текст] / И.А. Сергиенко, А.В. Флорко, В.Г. Шевчук // Физика горения и взрыва. – 2000. – Т. 36. – № 2. – С. 33–39.Sergienko I.A., Florko A.V., Shevchuk V.G. Peculiarities of Emission and Absorption Characteristics of Soot Particles at the Combustion Temperature (Osobennosti ispuskatel'nykh i pogloshchatel'nykh kharakteristik chastits sazhi pri temperature goreniya). Fizika goreniya i vzryva, 2000;36(2):33–39 (in Russ.).Левашенко, Г.И. Определение оптических постоянных сажи в продуктах сгорания углеводородного топлива при λ = 10,6 мкм [Текст] / Г.И. Левашенко, В.В. Симоньков // Физика горения и взрыва. – 1995. – Т. 31. – № 1. – С. 70–73.Levashenko G.I., Simonkov V.V. Determination of the optical constant of soot in combustion products of hydrocarbon fuel at λ = 10.6 μm (Opredelenie opticheskikh postoyannykh sazhi v produktakh sgoraniya uglevodorodnogo topliva pri λ = 10,6 mkm). Fizika goreniya i vzryva, 1995;31(1):70–73 (in Russ.).Васильева, О.В. Структура и свойства сажи в пламени углеводородного топлива [Текст] / О.В. Васильева [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 19. – С. 105–111.Vasileva O.V., Ksenofontov S.I., Kokshina A.V., Krasnova A.G. Structure and properties of soot in hydrocarbon flames (Struktura i svoistva sazhi v plameni uglevodorodnogo topliva). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015;(19):105–111 (in Russ.).Ксенофонтов, С.И. Образование активных центров в саже [Текст] / С.И. Ксенофонтов, О.В. Васильева // Actualscience. – 2015. – Т. 1. – № 4. – С. 58–61.Ksenofontov S.I., Vasileva O.V. The formation of the active centers in the soot (Obrazovanie aktivnykh tsentrov v sazhe). Actualscience, 2015;1(4):58–61 (in Russ.).Владимиров, Г.Г. Физика поверхности твердых тел / Г.Г. Владимиров. – СПб.: Лань, 2016. – 352 с.Vladimirov G.G. Physics of the surface of solids (Fizika poverkhnosti tverdykh tel). SPb.: Lan' Publ., 2016, 352 p. (in Russ.).Приложение. Краткие таблицы характеристических частот [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/special/ir_spe ctr_3.html – (Дата обращения: 10.06.2016).Application. Brief tables of characteristic frequencies [E-resource]. Available at: http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/special/ir_s pectr_3.html (10.06.2016) (in Russ.).Борен, К. Поглощение и рассеяние света малыми частицами [Текст] / К. Борен, Д. Хафмен. – М.: Мир, 1986. – 664 с.Boren K., Khafmen D. Absorption and scattering of light by small particles (Pogloshchenie i rasseyanie sveta malymi chastitsami). Moscow: Mir Publ., 1986, 664 p. (in Russ.).Одностенные углеродные нанотрубки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ocsial.com/ru/ – (Дата обращения: 14.04.2016).Odnostennye uglerodnye nanotrubki [E-resource]. Available at: http://ocsial.com/ru/ (14.04.2016) (in Russ.).Jager, C. Identification and spectral properties of PAHs in carbonaceous material produced by laser pyrolysis [Text] / C. Jager [et al.] // Carbon. – 2007. – Vol. 45. – P. 2981–2994.Jager C., Huisken F., Mutschke H., Henning Th., Poppitz W., Voicu I. Identification and spectral properties of PAHs in carbonaceous material produced by laser pyrolysis. Carbon, 2007;45:2981–2994 (in Eng.).Russo, С. Infrared spectroscopy of some carbon-based materials relevant in combustion: Qualitative and quantitative analysis of hydrogen [Text] / C. Russo [et al.] // Carbon. – 2014. – Vol. 74. – P. 127–138.Russo S., Stanzione F., Tregrossi A., Ciajolo A. Infrared spectroscopy of some carbon-based materials relevant in combustion: Qualitative and quantitative analysis of hydrogen. Carbon, 2014;74:127–138 (in Eng.).Мансуров, З.А. Получение наноматериалов в процессах горения [Текст] / З.А. Мансуров // Физика горения и взрыва. – 2012. – Т. 48. – № 5. – С. 77–86.Mansurov Z.A. Obtaining nanomaterials in combustion processes (Poluchenie nanomaterialov v protsessakh goreniya). Fizika goreniya i vzryva, 2012;48(5):77–86 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.