Studio della formazione di particolato carbonioso in condizioni controllate di temperatura e pressione mediante tecniche ottiche

Nei motori Diesel la fuliggine rappresenta uno dei prodotti allo scarico di maggiore impatto sull'ambiente e sulla salute pubblica. Da ciò derivano gli sforzi crescenti sia delle industrie automobilistiche, nel progettare motori di nuova generazione che minimizzino la formazione di fuliggine e dispositivi che ne abbattano l'emissione allo scarico, sia delle industrie petrolifere, nel produrre combustibili più "puliti" o di nuova formulazione. In tale contesto si inquadra la ricerca dell'unità operativa finanziata dal Progetto Finalizzato Trasporti 2. Una profonda comprensione del processo di formazione della fuliggine può essere molto utile nello sviluppo di soluzioni progettuali che riducano le emissioni di particolato, agendo direttamente sul meccanismo di formazione piuttosto che sul suo abbattimento una volta prodotto. Molti aspetti del processo di formazione della fuliggine richiedono ulteriori approfondimenti. E' opportuno rilevare, ad esempio, l'insufficienza di dati sperimentali sistematici, specialmente in condizioni di alta pressione, riguardanti il fenomeno di nucleazione del particolato carbonioso. In precedenti studi, condotti su fiamme atmosferiche o a bassa pressione, sono state individuate strutture carboniose ad elevata massa molecolare (400-2500 a.m.u.) nella fase che precede la comparsa delle prime particelle di fuliggine (Homann and Wagner, 1981; Wersborg et al., 1973; Bittner and Howard, 1981; A. D'Alessio et al., 1993). Queste strutture, considerate quali precursori della fuliggine, sono state anche caratterizzate otticamente per mezzo di misure di scattering/estinzione su fiamme premiscelate di etilene a pressione atmosferica (A. D'Alessio et al., 1993). Tuttavia, la risoluzione temporale ottenibile in una fiamma non consente di seguire in dettaglio l'evoluzione del processo. A pressioni elevate, le limitazioni allo studio delle prime fasi del processo sono maggiori, a causa dello "schiacciamento" della fiamma, con un'ulteriore riduzione della risoluzione spazio-temporale. Nello studio della formazione della fuliggine ad alta temperatura e pressione, i tubi d'urto costituiscono una valida alternativa alle fiamme, consentendo un'elevata risoluzione temporale e di operare in condizioni di pressione e temperatura che approssimano quelle dei motori Diesel. Questa metodologia, inoltre, consente di variare in maniera controllata i parametri sperimentali, quali temperatura, pressione, concentrazione degli atomi di carbonio e rapporto C/O. Scopo del presente lavoro è di illustrare alcuni risultati sperimentali concernenti il processo di formazione della fuliggine nella pirolisi di idrocarburi gassosi e liquidi. La sperimentazione è stata condotta ad alta temperatura e pressione a valle di onde d'urto riflesse. Tecniche diagnostiche ottiche sono state utilizzate per seguire il processo di pirolisi. Misure di scattering/estinzione nel visibile e di assorbimento nell'infrarosso hanno consentito di seguire il processo di formazione e la crescita delle particelle di fuliggine. La pirolisi del combustibile è stata investigata per mezzo di spettroscopia di assorbimento ad alta velocità, nell'intervallo di lunghezze d'onda 400-800 nm. L'analisi degli spettri di assorbimento secondo il modello di optical band-gap (Tauc et al., 1966; Robertson, 1991) ha consentito la caratterizzazione della struttura della fuliggine e dei suoi precursori.