ОБРАЗОВАНИЕ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ В САЖЕ

Аннотация: В саже, полученной в пламени, обнаружены активные центры, проявляющиеся при термической обработке. Количество активных центров различно для ароматических соединений.

Ключевые слова: структура и свойства сажи, активные центры, радикалы, полициклические ароматические углеводороды, ИК-спектральный анализ проб.

Фронт пламени является реактором химических реакций превращения исходных компонентов в конечные, происходящие через множество промежуточных реакций. В пламени многие молекулы находятся в ионизированном состоянии, а в продуктах сгорания степень ионизации среды уменьшается на несколько порядков [1-3]. Считается, что продукты сгорания не обладают электропроводимостью.

В пламени, где имеются дисперсные частицы, то есть имеется физическая поверхность, вероятность процесса рекомбинации радикалов с участием поверхности частиц, увеличивается на несколько порядков. Большая часть дисперсных частиц оказывается заряженной. В целом заряд частицы при длительном пребывании в ионизированном газе должен быть отрицательным, так как подвижность электронов большая. Другие заряженные частицы – ионы, мало подвижны, и вероятность оседания их на поверхность дисперсных частиц мала.

Частицы сажи, возникшие в пламени, могут содержать или отрицательный, или положительный заряд. Если отрицательный заряд приобретается за счет оседания электронов, то положительный – возникает за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности и определяется температурой пламени. Вопрос о сохранении приобретенного заряда на частице сажи в пламени мало изучен.

При рождении частицы, согласно радикальному механизму, заряд частицы сажи может определяться радикалами. На спектрограмме (рис. 1) видны интенсивные линии излучения радикалов С2*.

Инфракрасные Фурье-спектры поглощения сажи также показывают на наличие разных активных молекул (рис. 2). Наличие в пламени ароматических соединений обогащает перечень молекул в ИК-спектре. На рис. 2а пламени керосина марки ТС-1 видны лишь небольшое количество образований типа фуллеренов, то в пламен дифенила (рис. 2б) или нафталина (рис. 2в) обнаружены новые линии. Среди них необходимо выделить =СН, С – С, С = С, СН2 – R, CH = CH и ОН.

Названные выше соединения представляют собой продукты распада бензольных колец. Тогда к радикальному механизму образования сажи добавляется механизм дегидрогенизации углеводородов. В каком виде находятся эти радикалы в саже – сказать трудно.

Нами была сделана попытка определения активности сажи. Для этого на пробоотборнике из кварцевого стекла осаждали сажу из пламени. Осевшую сажу подвергали нагреванию в атмосфере воздуха. Для этого пластину располагали на электроспирали. Регулируя напряжение, добивались необходимого теплового потока. Одновременно поверхность пробоотборника изучалась под микроскопом.

При нагревании слой сажи выгорает неравномерно. Возникают очаги, где скорость выгорания большая. В результате этого на поверхности образуется круглая яма выгоревшей сажи.

В центре ямы остается образование белого цвета. В работе, проведенной Яновским , также обнаружены частицы сажи – черные, коричневые и белые. Авторы не приводят результаты химического анализа каждого вида сажи.

Область выгорания сажи симметрична относительно центральной белой частицы. Иногда по мере выгорания сажи наблюдаются дополнительные белые частиц, расположенные строго на одинаковых расстояниях от центра. Наличие такой симметричной картины расположения центров наталкивает на мысль об электрической природе взаимодействия частиц.

В сажистых отложениях пламени углеводородов, содержащих двойные бензольные кольца, при тепловом воздействии также наблюдается выгорание в виде круга (рис. 3). Однако на выгоревшем поле (2) имеются белые образования, разбросанные по поверхности. Их взаимное расположение не имеет симметрии, а сами частицы по размерам различны. Круглая форма выгоревшей части сажи позволяет выделить некоторый центр. Тогда выходит, что частицы наэлектризованы различными по величине зарядами.

В пределах круга возможно нахождение других активных центров, которые образуют свой круг выгорания сажи. Огибающая двух кругов различного диаметра (рис. 3а) несколько искажает симметрию картины.