Att köra dieselmotorer och gasturbiner med högt tryck för att öka effekten och effektiviteten är skadligt för miljön. Att bränna bränsle vid högt tryck kan avsevärt förändra sotpartiklarna som produceras, William Roberts från KAUST Clean Combustion Research Center och hans team har visat. Att studera faktorerna som påverkar sotbildningen borde leda till nya sätt att minska sotutsläppen, säger Hafiz Amin, tidningens första författare.

Sot är en stor global förorening, skadligt för människors hälsa och den näst största bidragsgivaren till den globala uppvärmningen efter koldioxid. Det komplexa ämnet består av individuella nanopartiklar som är sammanlänkade i kedjeliknande strukturer som kallas fraktala aggregat. Eftersom sotpartiklars effekt på människors hälsa är mycket beroende av sotstrukturen, teamet var motiverat att förstå bildningsprocesserna. "Sotbildningen är nyckeln till att kontrollera dess utsläpp, " säger Amin. Men effekten som förhöjt tryck har på sotproduktionen är inte väl förstått. Roberts och hans team utvecklade en effektiv metod för sotprovtagning som ger nya insikter om sotbildning.

Teamet utvecklade ett sätt att prova, vid tryck upp till 10 atmosfärer, sotpartiklarna som produceras i en laminär låga som kallas en motströmsdiffusionslåga. Motströmsbrännaren producerar en horisontell, cirkulär låga som är stabil och enhetlig. "Motflödeslågan tillåter oss att kontrollera flammans vätskedynamik och kräver mindre beräkningskraft för modellering, " förklarar Anthony Bennett, medförfattare till uppsatsen och nuvarande Ph.D. elev i Roberts lag. Forskarna samlade in sot från lågan med ett fint kolbelagt kopparnät som hölls av en pneumatiskt driven robotarm som snabbt skjuter ut för att samla ett sotprov med minimal störning av lågan.

Teamet analyserade sina sotprover med hjälp av transmissionselektronmikroskopi och observerade att förhöjt tryck avsevärt ökade sotpartikelstorleken. Medelpartikeldiametern på 17,5 nanometer vid 3 atmosfärers tryck steg till 47 nanometer vid 10 atmosfärer.

"Detta visar vikten av påverkan av tryck på sotutsläpp, " säger Bennet.

Nu när de har utvecklat en effektiv högtrycksexperimentuppställning och sotprovtagningsprocedur, laget har många fler experiment planerade, säger Amin. "Vi skulle vilja utöka undersökningarna till ett tryck på 40 atmosfärer, som är relevant för gasturbiners drifttryck, " han säger.

Teamet skulle också vilja undersöka hur olika bränslekemi och uppehållstider påverkar sotproduktionen vid förhöjt tryck. "Våra nuvarande experimentanläggningar ger kontrollen för att utföra sådana undersökningar, " säger Amin.