Name: Flammen-Experimente an der Advanced Light Source: Neue Einblicke in Rußbildung Prozesse (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-05-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 4 s
Description: Erfahren Sie die chemische Analyse von Kohlenwasserstoffflammen mittels Flugzeit-Massenspektrometrie mit Vakuum-UV-Photoionisation. Diese Methode liefert isomerenaufgelöste Einblicke in Verbrennungsprozesse und Rußbildung.

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Sandia ist ein Multi-Programm-Labor von Sandia Corporation, einer Lockheed Martin Company, für die National Nuclear Security Administration unter Vertrag DE-AC04-94-AL85000 betrieben. Die Arbeit wurde auch durch das US Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences im Rahmen der Betriebs Investigator Kleine Gruppe Forschungsprojekt (Grant No DE-SC0002619) von Prof. Violi (University of Michigan, Ann Arbor) unterstützt. KRW wird durch das Department of Energy, Office of Science, Early Career Research-Programm nach US-Department of Energy Vertrag Nr. DE-AC02-05CH11231 unterstützt. Die Advanced Light Source wird durch den Direktor, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, der US-Energieministerium unter Vertrag Nr. DE-AC02-05CH11231 unterstützt. KKH erkennt die anhaltende Unterstützung der Teil dieser Forschung von der DFG unter Vertrag KO 1363/18-3.

1. Gasphasenexperimenten <ol><li> Zünden des Niederdruck-vorgemischten Flamme <ol><li> Stellen Sie sicher, dass das Kühlwasser durch den Brenner-und Flammenkammerwand und die Flammenkammer bis auf ~ 0,1 mbar gepumpt fließt. </li><li> Stellen Sie eine 1 L / min Strom von Argon und einem 1,5 l / min Volumenstrom von Sauerstoff durch die Brenneroberfläche und einen Druck von 80 mbar (60 Torr) in der Flammenkammer zu halten. </li><li> Positionieren Sie den Heißdraht-Zünder über der Brenneroberfläche; stellen Sie die Wasserstoffstrom bis 0,4 L / min, und aktivieren den Zünder schnell. </li><li> Nach der Zündung, schalten Sie das Heißdraht-Zünder, und setzen Sie sie weg von den Brenner. </li><li> Schaffung der gewünschten Ströme von Argon, Sauerstoff, Wasserstoff und Brennstoff. Stellen Sie den Druck, um die Bedingungen des Ziel Flamme [typischerweise 20-40 mbar (15-30 Torr)] entsprechen. Hinweis: Flamm Bedingungen für einzelne Flammen in der Originalliteratur vorgesehen. Beispielsweise fließt der stöchiometrischen Allen und Propin Flammenin Hansen et al 22 aufgeführt. </li></ol></li><li> Erwerb der Photoionisation Efficiency (PIE) Kurven - Energie Scan <ol><li> Wenn der Druck in der Ionisationskammer ≤ 10 -6 mbar, gelten die Spannungen an den Ionenoptik der Time-of-Flight-Massenspektrometer und Detektor Mikrokanalplatte und öffnen die Ventile Beamline. Hinweis: Frühere Kalibrierungsexperimente (nicht im Video gezeigt) verwendet, um die Spannungseinstellung für eine optimale Leistung des Massenspektrometers zu finden. </li><li> Starten Sie das LabVIEW-Datenerfassungsprogramm &quot;Allgemeine Interface.vi&quot; (Abbildung 2) und bewegen Sie den Brenner an die gewünschte Position über die Registerkarte &quot;Motor&quot; in der Software. Hinweis: Diese LabVIEW-Code wurde an der Beamline entwickelt und ist auf Anfrage erhältlich. </li><li> Verwenden Sie die Registerkarte &quot;Allgemein&quot;, um die Scan-Parameter zu definieren, dh die Anzahl der Schritte pro eV der Photonenenergie. Typischerweise wird eine Schrittgröße von 0,05 eV ist,verwendet. </li><li> Verwenden Sie die Registerkarte &quot;ALS&quot;, um die Photonenenergie auf den gewünschten Startwert gesetzt, und definieren Sie die &quot;ALS-Energie&quot; zu sein, &quot;aktiv&quot;. </li><li> Auf der &quot;Control&quot;-Panel, aktivieren &quot;K6485&quot; zum Auslesen des Photostroms von der Photodiode gemessen. </li><li> Auf der Registerkarte &quot;P7886&quot;, verwenden Sie die &quot;Set Parameter&quot;-Taste, um die Anzahl der Sweeps (in der Regel zwischen 2 19 und 2 21), die Anzahl der Fächer (in der Regel 48k) und die Bin-Breite (500 ps). </li><li> Geben Sie einen gültigen Pfad und Dateinamen, und klicken Sie auf &quot;Start&quot;, um die Computer-gesteuerten Datenerfassungsprozess zu starten. </li></ol></li><li> Erwerb von Massenspektren - Brenner Scan <ol><li> Gelten die Spannungen für die Energie-Scans, um die Ionenoptik der Time-of-Flight-Massenspektrometer und Mikrokanalplattendetektor. </li><li> Öffnen Sie die Ventile, um die Strahllinie Photonenstrahl in der Kammer zu ermöglichen. </li><li> Öffnen Sie die Daten Labview acquisition Programms &quot;Allgemeine Interface.vi&quot;. </li><li> Auf der Registerkarte &quot;Motor&quot; in der Software, mit der &quot;Jogger&quot;, um die Brenneroberfläche so nah wie möglich an der Probenahmekegel bewegen, und definieren Sie diese Position als &quot;Origin&quot;. Festlegung des Motors auf &quot;aktiv&quot;. </li><li> Verwenden Sie zum Register &quot;Allgemein&quot;, um die Scan-Parameter zu definieren, dh die Anzahl der Schritte pro mm Brenner-Bewegung. Typische Werte sind 0-5 mm in 20 Stufen, 5-20 mm in 15 Stufen, und 20-30 mm in 5 Schritten. </li><li> Verwenden Sie die Registerkarte &quot;ALS&quot;, um die Photonenenergie auf den gewünschten Wert eingestellt. Typische Werte sind 8 bis 16,65 eV. </li><li> Auf der &quot;Control&quot;-Panel, aktivieren &quot;K6485&quot; zum Auslesen des Photostroms von der Photodiode gemessen. </li><li> Auf der Registerkarte &quot;P7886&quot;, verwenden Sie die &quot;Parameter einstellen&quot;, um eine Unter-VI (Abbildung 3) zu starten, um die Anzahl der Sweeps, dh die Anzahl von Massenspektren added auf der jeweils anderen bei jedem Brennerposition (normalerweise zwischen 2 19 und 2 21), die Anzahl von Bins (normalerweise 48 kHz), und der Bin-Breite (500 ps). </li><li> Geben Sie einen gültigen Pfad und Dateinamen, und klicken Sie auf &quot;Start&quot;, um die automatische Datenerfassung zu beginnen. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" width="500" /> Abbildung 2. Grafische Benutzerschnittstelle der Datenerfassungsprogramm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Fig. 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" width="500" /> Abbildung 3. Grafische Benutzerschnittstele, um Mehrkanal-Eingang Scaler Parameter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 2. Aerosol-Experimente <ol><li> Zünden des Near-Atmosphärendruckgegenströmungs Flamme <ol><li> Stellen Sie sicher, dass das Kühlwasser durch den Brenner fließen, dass die Reaktionspartner Steckdosen sind ca. 10 mm auseinander, und daß der Flammenkammer bis auf die minimal erreichbare Druck (~ 2 mbar) abgepumpt. </li><li> Füllen Sie den Flammenkammer mit Argon und bringen den Druck von bis zu ~ 860 mbar (650 Torr). </li><li> Setzen Sie den Zünder Spule ca. in der Mitte der beiden Brennerstellen. </li><li> Stellen Sie die Gasströme wie folgt (Ar sollte bereits fließen, weil es verwendet wurde, um die Kammer zu füllen): Oxidationsstrom: O 2 0,3 L / min und Ar 1,6 l / min; Oxidationsstrom Hüllstrom: Ar 2,5 l / min; Brennstoffstrom: H 2 0,3 L / min, Ar 2,5 l / min; Kraftstoffstrom Hüllstrom: Ar2.5 L / min. </li><li> Öffnen Sie die Wasserstoff-und Sauerstoffventile, und sofort auf Zünder Spule wechseln. </li><li> Wenn die Flamme entzündet wird, schalten Sie den Zünder Spule und zurückzuziehen. </li><li> Schaffung der gewünschten Ströme von Sauerstoff, Argon und Kraftstoff. Schalten Sie den Strom aus Wasserstoff und legen Druck-und Reaktionspartner Steckdose Trennung auf die gewünschten Werte für die Ziel Flamme. Hinweis: Die Flussraten für die Propanflamme, die im Video gezeigt wird, werden in Skeen et al 4 vorgesehen. </li></ol></li><li> Erwerb einer Aerosol-Massenspektrum <ol><li> Gelten die entsprechenden Spannungen an die Ionenoptik und Detektor des AMS. Hinweis: Die Spannungseinstellungen für eine optimale Leistung in früheren Kalibrierungsexperimente, die in dem Video gezeigt werden gefunden. </li><li> Öffnen Sie die Labview-Datenerfassungsprogramm &quot;General Interface-Gegensatz-Flow.vi&quot;. Hinweis: Dieses VI ist eine Modifikation der &quot;Allgemeinen Interface.vi&quot;, in dem die Motorsteuerung wurde aktualisiertentsprechen die neuen Bedürfnisse. </li><li> Mit der &quot;Rüttler&quot;-Anwendung auf der Registerkarte &quot;Motor&quot;, die gegenüberliegende Strömungsbrenner zu übersetzen, so daß die Quarzmikrosonde ist an der Position am nächsten zu dem Brennstoffstrom-Auslaß (4). Während an dieser Stelle, setzen Sie den Motor Schrittstellung auf Null. Dieses Verfahren definiert die &quot;Ursprung&quot;-Position. </li><li> Öffnen Sie langsam das Vierteldrehung Kugelventil eine Strömung von der Flamme-Probenahmeleitung in die aerodynamische Linsensystem (ADL). Zu bestätigen, dass der Druck am Auslass des ADL nahe 1 x 10 2 mbar. </li><li> Verwenden Sie die Registerkarte &quot;Allgemein&quot;, um die Scan-Parameter zu definieren, dh die Anzahl der Schritte pro mm Brennerbewegung (Brenner-Scan) oder Photonenenergie (Energie-Scan). </li><li> Verwenden Sie die Registerkarte &quot;ALS&quot;, um die gewünschte Photonenenergie gesetzt, und verwenden Sie die Registerkarte &quot;Motor&quot;, den Brenner auf die gewünschte Brennerposition zu bewegen. </li><li> Verwenden Sie die &quot;P7886&quot; und die Registerkarte &quot;Set Parameter &quot;-Taste, um die darin Erfassungsparameter einzustellen. </li><li> Definieren Sie &quot;Motor&quot; (Brenner-Scan) oder &quot;ALS-Energy&quot; (Energie-Scan) zu sein, &quot;aktiv&quot;. </li><li> Legen Sie eine gültige Dateipfad und Namen in die entsprechenden Felder ein und klicken Sie auf &quot;Start&quot;. Aerosol-Massenspektren werden nun automatisch übernommen. </li></ol></li></ol><img alt="Fig. 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" width="500" /> Abbildung 4. Grafische Benutzeroberfläche für die Brenner-Bewegung für die gegenüberliegende Fluss Flamme Montage. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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<li>Taatjes, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging%22+combustion+chemistry+via+multiplexed+synchrotron-photoionization+mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Chemistry+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Imaging" combustion chemistry via multiplexed synchrotron-photoionization mass spectrometry.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 10, (1039).</li>
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</ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Die beschriebene Kombination von flamm Probenahme-und Synchrotron-VUV-Single-Photon-Ionisation Massenspektrometrie bietet die detailliertesten Einblick in die chemische Zusammensetzung der Labor-basierte Modell Flammen derzeit nicht möglich. Das Massenspektrometer bietet universelle Erfassung aller Arten abgetastet Flamme gleichzeitig mit hoher Empfindlichkeit (ppm-Bereich) über einen weiten Dynamikbereich. Instrumental für den Erfolg dieser Technik ist die Verwendung von Synchrotronstrahlung erzeugten VUV-Photonen, deren Energien kann einfach eingestellt werden, um eine gute Selektivität zwischen Isomeren und Kontrolle der Fragmentierung bieten. Der letztere Faktor ist wichtig bei der Analyse von komplexen Mischungen. Die Leistungsfähigkeit der beschriebenen Experiment werden durch Gaschromatographie analysiert, was üblicherweise für Isomer-Trennung verwendet wird, und durch herkömmliche Techniken unter Verwendung von Ionisation energetischen Elektronen unerreicht. Einschränkungen der Synchrotron-Technik ergeben sich aus der Tatsache, daß vor allem bei großen Masse-zu-Ladung-Verhältnissen, many verschiedenen Isomeren denkbar, die dann nicht eindeutig identifiziert werden, und ihre Beiträge nicht verlässlich 1 getrennt werden. Die experimentellen Ergebnisse, die in Form von Isomer aufgelöste Flamme Zusammensetzungen können verbesserte kinetische Modelle der Verbrennungschemie zu einem außergewöhnlich detaillierten molekularen Ebene ergeben. Die beschriebenen Experimente sind sehr kompliziert und eine Beschreibung der Verfahren zur Problemlösung ist jenseits dessen, was man in der Video-und / oder dem Protokoll Abschnitt dieses Manuskript dokumentiert werden. Dies gilt auch für die Verfahren der Datenanalyse. Änderungen am Versuchsaufbau werden in der Regel getan off-line in zwischen der zugeteilten &quot;Strahlzeit&quot;. Da der Schwerpunkt dieser Experimente ist die mengenmäßige Bestimmung der Verbrennungszwischen, ist es sehr wichtig, eine stabile und reproduzierbare Flammen haben. Darüber hinaus ist es notwendig, mit Bedacht wählen die Photonenenergien und die anderen Scan-Parameter zu erhalten, einn angemessenen Satz experimenteller Daten, die ausreichend für eine zuverlässige Bestimmung der Flammenstruktur. Die Flammen Experimente an der Advanced Light Source durchgeführt haben erfolgreich dazu beigetragen, die Chemie der Kohlenwasserstoff Benzol-Bildung in Flammen 7 zu entwirren. Eine wichtige Funktion der resonanzstabilisierten Reste als Vorläufer hergestellt wurde, beispielsweise mit der Identifikation des Propargyl, Allyl-und i-C 4 H 5 Reste. Da Benzolbildung wird angenommen, dass nur der erste Schritt in der gesamten Ruß-Bildungsprozess sein, sind weitere Anstrengungen auf der Advanced Light Source, die chemische Zusammensetzung des flamm abgetastet Rußpartikel zu identifizieren. Im Vergleich zu ähnlichen früheren Ruß-Sampling Experimente 28, ermöglicht diese neu gegründete Aerosol-Probenahme-Experiment für die Aufnahme in der Nähe von Massenspektren-Schwelle, was bedeutet, dass die Energie des Photons genau abgestimmt werden, to nur leicht über der Komponenten Ionisierungsenergien, wodurch die Fragmentierung. Weiterhin Fragmentierungen weitgehend durch die Verwendung der Verfahren der Flash-Verdampfung auf dem temperaturgesteuerten Kupferblock vermieden. Jedoch wird der Versuch derzeit nicht in der Lage, quantitative Daten zu liefern beschränkt. Auch sind die aufgezeichneten Massenspektren nicht Partikel spezifisch, sondern gemittelt über viele Teilchen wahrscheinlich unterschiedlicher Zusammensetzung und Größe. Außerdem Kondensation kann und wird in der Probenahmesonde auftreten, erschwert die Identifizierung von mit Partikeln in der Flamme verwandter Arten. Darüber hinaus müssen die detektierten Spezies flüchtig genug, um bei der Temperatur der Kupferblock (300-400 ° C) unter Vakuum verdampft werden. Dennoch ist die frühe qualitative Daten legen nahe, daß die Zusammensetzungen der Ruß Vorläuferspezies sind abhängig von der chemischen Struktur des Brennstoffs und daß Ruß-Vorläufer-Bildungsmechanismen sind kinetisch gegenüber therdynamisch. Die Aerosol-Massenspektrometrie Bemühungen sind derzeit in der Anfangsphase, und die gewonnenen Erkenntnisse so weit identifizieren weitere Forschungsmöglichkeiten. Künftige Arbeit an Ruß-Bildungsverfahren ist wahrscheinlich auf die Chemie jenseits der ersten aromatischen Ring zu konzentrieren, das heißt die Bildung von Inden, Naphthalin, Anthracen, usw., und deren Isomere. Das ultimative Ziel ist es, die Chemie (und Physik) von Partikel Gründung zu verstehen und ein Vorhersagemodell, das die gesamte Ruß-Bildungsprozess (von der Kraftstoffoxidation zu Partikel Koagulation) beschreiben können, zu entwickeln.

Die Schaffung eines einheitlichen und prädiktiven molekularen Mechanismus für Wachstum und Rußbildung Prozesse ist eine der größten Herausforderungen in der Verbrennungschemie Forschung 8,9. Verbrennungsprozesse entfallen mehr als die Hälfte der Feinstaubbelastung (PM 2.5 - feine Partikel von einem aerodynamischen Durchmesser von ≤ 2,5 um definiert), und, um die Emission von diesen unerwünschten Verbrennungsnebenprodukte zu reduzieren, ist es wichtig, ihre Identitäten, Konzentrationen wissen und Bildungswege 10. Die Art der Verbrennungsnebenprodukte wird durch die Brennstoff-und den Bedingungen, unter denen sie verbrannt wird beeinflusst. Viele Studien haben Verbrennungsemissionen, um akute Umwelt-und Gesundheitswirkungen 11-13 verbunden. Zum Beispiel haben die Verbrennung erzeugten Partikel einen starken Einfluss auf die Luftqualität, Luft Sichtbarkeit und die Strahlungsbilanz der Atmosphäre der Erde. Es wird angenommen, dass die chemische Zusammensetzung der Luft Kammustion erzeugten Teilchen bestimmt, deren Toxizität, die üblicherweise mit polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) zugeordnet ist. Die letzteren Arten werden als die molekulare Vorläufer von Ruß, und sie zu einer unvollständigen Verbrennungsprozessen gebildet werden. Wiederum ist es, diese Prozesse zu identifizieren noch ein schwieriges Problem. Generell sind die Verbrennungsreaktionen, die an der Entstehung dieser Emissionen sind, folgen Sie komplizierte Kraftstoff Zersetzung und Oxidation Wege, an dem viele verschiedene reaktive Spezies. Sie werden in einem Netzwerk von Hunderten oder sogar Tausenden von Reaktionen, deren Preise sind abhängig von Temperatur und Druck 14,15 verbunden. Laminar, vorgemischte, Brenner-stabilisiert flache Flammen, die bei Drücken von nur 20-80 mbar (15-60 Torr) festgestellt werden können, für eine der Standard-Verbrennungsumgebungen häufig verwendet, um dieses komplexe chemische Netzwerk zu entwirren und zu den Schadstoff untersuchen Potential einesy gegeben prototypische Brennstoff 16. In dieser Konfiguration werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel bereits gemischt, wenn sie der Flammenfront zu erreichen; somit wird die Verbrennungsgeschwindigkeit durch chemische Prozesse und nicht durch Mischen dominiert. Durch den Betrieb dieser Flammen bei einem Unterdruck wird die physikalische Dicke der Reaktionszone erhöht wird, die eine verbesserte räumliche Auflösung von Temperatur-und Konzentrationsgradienten mit laserbasierten oder Sondenabtastung Techniken 1,17. Um genau zu analysieren, die chemische Zusammensetzung solcher Flammen, wird ein analytisches Werkzeug erforderlich, die universelle Erfassung aller Arten gleichzeitig hohe Empfindlichkeit und Dynamikbereich, gute Selektivität zwischen Isomere und Steuerung des Molekular Fragmentierung bietet. Ein Durchbruch in der Verbrennungschemie Forschung wurde mit dem Einsatz von Flamm-Sampling-Massenspektrometrie an Synchrotron-Lichtquellen, wo abstimmbaren Vakuum-UV-(VUV) Strahlung ist für nahezu thre verwendet erreichtshold Single-Photon-Ionisation 5,6. In der Flammen Experimente an der Advanced Light Source (ALS) des Lawrence Berkeley National Laboratory, die in der begleitenden Video gezeigt werden, werden Gasproben aus den vorgemischten Flammen von einem Quarzkegel entnommen und in höheren Unter erweitert und durch VUV ionisiert Photonen 1,5. Der Versuchsaufbau ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Der Schlüssel für den Erfolg dieses Experimentes war die Fähigkeit zum Abstimmen der Energie der ionisierenden Photonen in einem geeigneten Bereich zu minimieren oder sogar zu vermeiden Photofragmentierung und damit Isomer Spezifität 1,3 , 5,18. Wie im Video gezeigt, kann Photoionisation Effizienz (PIE)-Kurven durch Abstimmen der Photonenenergie 19, die uns zu bestimmten isomeren Spezies in der Flamme komplizierte Mischung identifizieren lassen aufgezeichnet werden. Die PIE-Kurven für die einzelnen Arten haben in der Regel unterschiedliche Merkmale, dh, Ionisationsschwellen, Formen und Intensitäten. Das Video einlso zeigt die experimentelle Vorgehensweise zur Mol-Fraktion Profile der einzelnen Komponenten in Abhängigkeit von dem Abstand zu der Brenneroberfläche zu bestimmen. Die ALS-basierte Verbrennungsversuche wurden auf Ruß-Bildungsprozesse in Kohlenwasserstoff-Flammen und auf der Oxidation von sauerstoffhaltigen nächsten Generation, Bio Brennstoffe 1,20 konzentriert. Im Hinblick auf die Bildung von Ruß-Problem, zeigten die Experimente viele neue Erkenntnisse. Zusammenfassend ist es nun klar, daß die chemische Struktur des Brennstoffs die Identität (und der Menge) der Vorläufermoleküle und somit viele verschiedene Wege mit dem ersten Schritt der Gesamtrussbildungsprozess 7,21 beitragen. Noch tiefere Einblicke in die Ruß-Bildung Chemie wurden gewonnen, wenn die Ermittlung der chemischen Bestandteile der Flamme erzeugten Ruß-Nanopartikeln mit einer ALS-basierte Aerosol-Massenspektrometer. In diesem neuen Versuch, die expin der zweiten Hälfte des Videos lained, sind nicht vorgemischten (Diffusion) Flammen eingesetzt. Der Versuchsaufbau ist in Fig. 1 ebenfalls dargestellt. In dieser Konfiguration wird eine Flamme in der Nähe von Atmosphärendruck [933 mbar (700 Torr)] zwischen zwei gegenüberliegenden laminaren Strahlen von Brennstoff und Oxidationsmittel hergestellt. Da die Brennstoff-und Oxidationsmittelströme bleiben außerhalb der Reaktionszone getrennt sind, bietet diese Anordnung eine gute Gelegenheit, um molekulare Wachstumsprozesse zu untersuchen. Flamm erzeugten Teilchen werden von der Flamme unter Verwendung einer Quarzmikrosonde zurückgezogen und anschließend konzentriert mit einem aerodynamischen Linsensystem auf eine beheizte Kupfer-Target, wobei die Partikel blinken verdampfen und zerbrechen in ihre einzelnen Bestandteile. Diese molekularen Bausteine ​​werden dann durch die VUV-Photonen aus der ALS ionisiert, und die entsprechenden Ionen Massen 4 ausgewählt. Nicht alle notwendigen Arbeiten können im Video gezeigt werden, aber die Aerosol-Daten deuten darauf hin, dass die Ruß-Bildungsmechanismen könnte kineticall sein<html> y und nicht thermodynamisch kontrolliert. Weiterhin können die Daten auch, dass die allgemein akzeptierte H-Abstraktion-C 2 H 2-Zugabe (HACA)-Mechanismus, bei dem kleine aromatischen Spezies wachsen größere polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) durch eine sich wiederholende Sequenz von H-Abstraktion und C 2 H 2-Additionsreaktionen können nicht alle die beobachteten Partikelbestandteile zu erklären. In Kombination mit dem Video, das folgende Protokoll beschreibt die Datenerfassungsverfahren. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig1highres.jpg" width="500" /> Abbildung 1. Schematische Darstellung der Flamme Sampling-Molekularstrahl-und Aerosol-Massenspektrometrie Experimente an der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory. Mit Berechtigungen von Refs. 2 und 4.9fig1highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

<table><tbody><tr><td>Flammenprobenahme-Massenspektrometer</td><td></td><td></td><td>nach Maß</td></tr><tr><td>Aerosol-Massenspektrometer</td><td></td><td></td><td>nach Maß</td></tr></tbody></table>

flammen-experimente an der advanced light source: neue einblicke in rußbildung prozesse

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

Die folgenden Versuchsprotokolle und die dazugehörige Video sind besorgt über die Versuche, die Flamme an der Beamline Chemische Dynamik der Advanced Light Source (ALS) des Lawrence Berkeley National Laboratory 4.1 ausgeführt werden. Dieses Video zeigt, wie die komplexen chemischen Strukturen von Labor-basierte Modell Flammen werden mit Flamme-Sampling-Massenspektrometrie mit abstimmbaren Synchrotron erzeugten Vakuum-Ultraviolett (VUV) Strahlung analysiert. Dieser experimentelle Ansatz kombiniert Isomer-Lösung Funktionen mit hoher Empfindlichkeit und einen großen Dynamikbereich 5,6. Der erste Teil des Videos beschreibt Experimente, die Brenner-stabilisiert, reduziertem Druck (20-80 mbar) laminaren vorgemischten Flammen. Eine kleine Kohlenwasserstoff wurde für die ausgewählte Flamme verwendet, um die allgemeinen experimentellen Ansatzes zu demonstrieren. Es wird gezeigt, wie Spezies Profile als eine Funktion der Entfernung von der Brenneroberfläche erfasst und wie die Abstimmbarkeit des VUVPhotonenenergie ist vorteilhafterweise verwendet, um viele Verbrennungszwischenprodukte auf der Basis ihrer Ionisierungsenergien identifizieren. Beispielsweise wurde diese Technik verwendet, um Gasphasen-Aspekte der Ruß-Bildungsprozesse zu studieren, und die Video zeigt, wie die resonanzstabilisierten Reste, wie C 3 H 3, C 3 H 5, und i-C 4 H 5 sind als wichtige Zwischenprodukte 7 identifiziert. Die Arbeit wurde auf Rußbildung Prozesse konzentriert, und aus der chemischen Standpunkt aus ist dieses Verfahren sehr interessant, weil chemische Strukturen Millionen von Kohlenstoffatomen enthalten, werden von einem Kraftstoff Molekül besitzen nur wenige Kohlenstoffatome in nur Millisekunden montiert. Der zweite Teil des Video zeigt einen neuen Versuch, bei dem ein Gegenstromdiffusionsflamme und Synchrotron-Aerosol-Massenspektrometrie verwendet, um die chemische Zusammensetzung der Verbrennung erzeugten Rußpartikel-4 studieren. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, tHut die weithin akzeptierte H-Abstraktion-C 2 H 2-Zugabe (HACA)-Mechanismus ist nicht der einzige molekulare Wachstumsprozess für die Bildung der beobachteten großen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) verantwortlich.

Ein typisches Massenspektrum flamm abgetasteten Gase aus dem Niederdruckbrenner mit Vormischung ist in Fig. 5 gezeigt. Die Identität der Spezies zum Signal beitrag sind nach dem Flammruß-abgetasteten Photoionisation Effizienz (PIE)-Kurven für jede Masse zu ergeben, Ladung (m / z)-Verhältnis und deren Vergleich mit bekannten isomerspezifische Ionisierungsenergien und PIE Kurven. Typische Beispiele für flamm abgetastet PIE-Kurven sind in Fig. 6 für m / z = 39 gezeigt (C 3 H 3) und 41 (C 3 H 5). Die Daten werden aus einem stöchiometrischen Propin Flamme 22 entnommen. Das Signal wird eindeutig durch ihre charakteristische Ionisationsschwellen identifiziert, die von den resonant stabilisiert Propargyl und Allylreste stammen. Für viele m / z-Werte werden mehrere Isomere routinemäßig durch die Beobachtung mehrere Schwellenwerte identifiziert. Viele Beispiele in der Literatur diskutiert worden, z. B. m / z= 40 (Allen und Propin), 44 (Ethenol und Acetaldehyd), 54 (1,3-Butadien, 1-Butin, 2-Butin und) oder 78 (Fulven und Benzol) 23-27. <img alt="Figur 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig5highres.jpg" width="500" /> Abbildung 5. Time-of-Flight-Massenspektrum. Aufgenommen mit Photonen von 9,9 eV bei 1,25 mm Abstand von der Niederdruck-Brenner vorgemischt in einem stöchiometrischen Propin-O 2 Flamme. Alle Peaks kann leicht an verschiedene Brennzwischen zugeordnet werden, wie im nächsten Schritt beschrieben. <img alt="Fig. 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig6highres.jpg" width="500" /> Abbildung 6. Flamm abgetastet Photoionisation Effizienzkurven für m / z = 39 und 41. Die Resonanz stabilisierte Radikale Propargylrest und einellyl eindeutig auf der Grundlage der beobachteten Ionisationsschwellen identifiziert werden. Sobald die isomere Zusammensetzung bekannt ist, sind Massenspektren bei verschiedenen Photonenenergien und aus verschiedenen Positionen in der Flamme genommen, wie oben im Abschnitt Protokoll beschrieben, die für die Bestimmung der isomerspezifische Molenbruch Profile der einzelnen Spezies als ermöglichen Funktion der Entfernung von der Brenneroberfläche. Repräsentative Mol-Fraktion Profile Fulven und Benzol in einem stöchiometrischen Propin Flamme von der Niederdruckbrenner mit Vormischung werden in 7 22 gezeigt. Für jede Flamme, typischerweise insgesamt 40 bis 50 Mol-Fraktion einzelnen Profile werden für Arten von fest m / z = 1 (H-Atom) bis m / z = 78 (Benzol und / oder Fulven) oder sogar noch höher, je nach wissenschaftlicher Ziele. Diese Molenbruch Profile werden dann verwendet, um die Vorhersagefähigkeiten des Verbrennungschemie Modelle abzuschätzen und validate sie. <img alt="Fig. 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig7highres.jpg" width="500" /> Figur 7. Experimentelle Molenbruch Profile. Profile Fulven und Benzol in einem stöchiometrischen Propin Flamme von der Niederdruckbrenner mit Vormischung. Eine typische Aerosolmassenspektrum ist in Fig. 8 gezeigt. Es wurde aus einem Propan Gegenstromdiffusionsflamme gemacht. Ionensignal für Spezies mit m / z-Verhältnissen im Bereich von 150 bis 600, mit einem Peak bei etwa m / z = 226 beobachtet. Es ist über die aktuellen experimentellen Möglichkeiten, um alle im Massenspektrum oder auf ihre mögliche Bildungswege zu entwirren beobachteten Arten zu identifizieren. Unter solchen Massenspektren als eine Funktion der Entfernung von dem Kraftstoffauslass wie oben beschrieben (und in dem Video gezeigt) stellt ortsaufgelöst Profile. Ein Vertretreter Beispiel ist in dem Einlaß 8 für die m / z = 256 (C 20 H 16)-Spezies gezeigt. Ähnliche Profile können für alle anderen Arten sowie erhalten werden, was könnte folglich als Validierungsziele für jeden Verbrennungschemie-Modell verwendet werden. <img alt="Fig. 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig8highres.jpg" width="500" /> Figur 8. Flamm abgetasteten Aerosolmassenspektrum aus einem Propan-O &amp;sub2;-Gegenstromdiffusionsflamme. Die Einlass zeigt eine repräsentative ortsaufgelösten Profils für den C 20 H 16 Arten bei m / z = 256.

Gasentnahme aus Labor Flammen mit Online-Analyse aller Arten von Massenspektrometrie ist eine leistungsfähige Methode, um das komplexe Gemisch von chemischen Verbindungen bei Verbrennungsprozessen auftretenden untersuchen. Mit einstellbaren Soft-Ionisation über Synchrotron erzeugten Vakuum-UV-Strahlung gekoppelt ist, bietet diese Technik Isomer aufgelöste Informationen und potenziell Fragment freien Massenspektren.

Flammen-Experimente an der Advanced Light Source: Neue Einblicke in Rußbildung Prozesse

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die chemische Zusammensetzung von laborstäbchenartigen Kohlenwasserstoffflammen zu analysieren, um ein detailliertes Verständnis ihrer Bildung in Verbrennungsumgebungen zu erlangen. Dies wird erreicht, indem zunächst brennerstabilisierte vorgemischte Flammen unter einem reduzierten Druck von etwa 20 bis 80 Millibar aufgebaut werden. Der zweite Schritt besteht darin, Gase aus diesen Flammen zu entnehmen und anschließend die chemische Identität der probenahmen Spezies mittels eines speziell angefertigten Flugzeit-Massenspektrometers mit Vakuum-Ultraviolett-Photoionisation zu bestimmen.Anschließend wird die Konzentration dieser Spezies als Funktion des Abstands vom Brenner bestimmt. Der letzte Schritt besteht darin, mit einem ähnlichen Ansatz die chemische Zusammensetzung von durch Verbrennung erzeugten Partikeln zu untersuchen, die aus gasförmigen Bildungsprozessen hervorgehen. Letztendlich erfolgt die Flammenprobennahme mittels Massenspektrometrie mit Vakuumultraviolettstrahlung.Die Photoionisation wird verwendet, um zu zeigen, dass resonanzstabilisierte Radikale wichtige Zwischenprodukte sind und dass ein einfacher Mechanismus nicht alle beobachteten Rußbestandteile erklären kann. Obwohl diese Methode Einblicke in Verbrennungsprozesse ermöglicht, kann sie auch zur Untersuchung der Atmosphärenchemie, molekularen Dynamik und Kinetik unter anderem verwendet werden. Stellen Sie zunächst einen Durchfluss von einem Liter pro Minute Argon und 1,5 Litern pro Minute Sauerstoff über die Brenneroberfläche ein und halten Sie einen Druck von 80 Millibar in der Flammenkammer aufrecht.Platzieren Sie den Heizdrahtzünder über der Brenneroberfläche. Stellen Sie dann den Wasserstoffdurchsatz auf 0,4 Liter pro Minute ein und aktivieren Sie unmittelbar nach der Zündung den Zünder. Schalten Sie den Heizdrahtzünder aus und bringen Sie ihn außerhalb der Brennerzone in eine sichere Position.Als Nächstes stellen Sie die gewünschten Strömungen von Argon-Sauerstoff, Wasserstoff und Brennstoff ein. Regeln Sie den Druck so, dass er den Bedingungen der Zielflamme entspricht, was typischerweise zwischen 20 und 40 Millibar liegt, wenn der Druck in der Ionisationskammer kleiner als oder gleich 10⁻⁶ Millibar ist. Legen Sie die Spannungen an die Ionenoptik des Flugzeit-Massenspektrometers und des Mikrokanalplatten-Detektors an und öffnen Sie die Strahlführungsventile.Starten Sie das Programm für die Datenerfassung im Laboransicht-Modus (general interface vi) und bewegen Sie den Brenner mithilfe des Motor-Reiters in der Software in die gewünschte Position. Danach verwenden Sie den Allgemein-Reiter (general tab), um die Scan-Parameter oder die Anzahl der Schritte pro Elektronenvolt Photonenenergie festzulegen. Anschließend verwenden Sie den A LS-Reiter, um die Photonenenergie auf den gewünschten Startwert einzustellen, und definieren Sie, dass die A LS-Energie auf dem P 78 86-Reiter aktiv sein soll.Verwenden Sie die Schaltfläche „Parameter festlegen“, um die Anzahl der Messdurchläufe, die Anzahl der Bins und die Bin-Breite festzulegen. Geben Sie anschließend einen gültigen Dateipfad und einen Dateinamen ein und klicken Sie auf „Start“, um den rechnergestützten Datenerfassungsprozess zu beginnen. Für die Erfassung der Brenner-Scans wenden Sie die gleichen Spannungen wie bei den Energiescans an die Ionenoptik des Flugzeit-Massenspektrometers und den Mikrokanalplatten-Detektor an.Öffnen Sie die Strahlführungsventile, um den Photonenstrahl in die Kammer zu lassen. Nachdem Sie das allgemeine LabVIEW-Datenerfassungsprogramm (vi) geöffnet haben, verwenden Sie den Jogger unter der Registerkarte Motor, um die Brenneroberfläche so nah wie möglich an den Probenahmekonus heranzuführen, und definieren Sie diese Position als Ursprung. Anschließend definieren Sie den Motor als aktiv.Verwenden Sie die Registerkarte „Allgemein“, um die Scan-Parameter oder die Anzahl der Schritte pro Millimeter Brennerbewegung festzulegen. Verwenden Sie anschließend die Registerkarte „LS“, um die Photonenenergie auf den gewünschten Wert einzustellen, der typischerweise zwischen acht und 16,65 Elektronenvolt auf der Registerkarte P 78 86 liegt. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Parameter festlegen“, um ein Sub-Virtuelles Instrument zu starten, mit dem die Anzahl der Durchläufe oder die Anzahl der massenspektrometrischen Aufnahmen, die an jeder Brennerposition叠加 werden, sowie die Anzahl der Bins und die Bin-Breite eingestellt werden können.Danach einen gültigen Dateipfad und Namen angeben und auf „Start“ klicken, um den automatisierten Datenerfassungsprozess zu beginnen. Für das Aerosolexperiment werden Gegenstrahmflammen verwendet. Zunächst die Flammenkammer mit Argon füllen und den Druck auf etwa 860 Millibar erhöhen. Zündspule ungefähr in der Mitte zwischen den beiden Brennerauslässen platzieren.Stellen Sie den Oxidatorstrom auf 0,3 Liter pro Minute für Sauerstoff und 1,6 Liter pro Minute für Argon ein und den Nebenstrom des Oxidatorstroms auf 2,5 Liter pro Minute für Argon. Stellen Sie anschließend den Brennstoffstrom auf 0,3 Liter pro Minute für Wasserstoff und 2,5 Liter pro Minute für Argon ein und den Nebenstrom des Brennstoffstroms auf 2,5 Liter pro Minute. Öffnen Sie für Argon die Wasserstoff- und Sauerstoffventile und schalten Sie sofort die Zündspule ein.Wenn die Flamme gezündet ist, schalten Sie die Zündspule aus und ziehen Sie sie zurück. Stellen Sie zu diesem Zeitpunkt die gewünschten Strömungen von Sauerstoff, Argon und Brennstoff ein. Schalten Sie die Wasserstoffzufuhr ab und stellen Sie den Druck sowie die Trennung der Reaktantaustritte auf die gewünschten Werte ein.Für die Zielflamme. Legen Sie die geeigneten Spannungen an die Ionenoptik und den Detektor des Aerosol-Massenspektrometers an. Öffnen Sie anschließend das LabVIEW-Datenerfassungsprogramm mit der allgemeinen Schnittstelle für Gegenstrom-VI.Verwenden Sie die Jogger-Anwendung auf der Motor-Registerkarte, um den Gegendiffusionsbrenner so zu verschieben, dass sich das Quarzmikroelement in der Position befindet, die dem Auslass des Brennstoffstroms am nächsten liegt. Setzen Sie in dieser Position die Motorstufenposition auf null zurück. Danach.Öffnen Sie langsam das Vierteldrehventil, um den Durchfluss von der Flammensampling-Leitung in die aerodynamische Linse oder ein DL-System freizugeben. Stellen Sie sicher, dass der Druck am Ausgang des A DL nahe bei einem Mal 10 hoch minus zwei Millibar liegt. Verwenden Sie die Registerkarte „Allgemein“, um die Scan-Parameter oder die Anzahl der Schritte pro Millimeter Brennerbewegung bzw. Photonenergie zu definieren.Verwenden Sie die LS-Registerkarte, um die gewünschte Photonenenergie einzustellen, und die Motor-Registerkarte, um den Brenner in die gewünschte Brennerposition zu bewegen. Verwenden Sie anschließend die P-78-86-Registerkarte und den darin enthaltenen Schaltflächen „Parameter festlegen“. Um die Erfassungsparameter festzulegen, definieren Sie den Motor oder die LS-Energie als aktiv.Geben Sie einen gültigen Dateipfad und Namen in die entsprechenden Felder ein und klicken Sie auf „Start“, um die Aerosol-Massenspektren aufzuzeichnen. Hier ist ein typisches Massenspektrum von aus der Flamme entnommenen Gasen aus dem niederdruckvorgemischten Brenner dargestellt. Die Identitäten der Spezies, die zum Signal beitragen, ergeben sich aus den Photoionisations-Effizienzkurven (PIE-Kurven) der aus der Flamme entnommenen Gase für jedes Verhältnis von Hauptladung und deren Vergleich mit bekannten isomerspezifischen Ionisierungsenergien sowie PIE-Kurven.Typische Beispiele von abgeschöpften Flammen-PIE-Kurven werden hier gezeigt. Für ein Master-Ladungsverhältnis gleich 39 und 41. Die Daten stammen aus einer stöchiometrischen Propanflamme.Das Signal wird eindeutig anhand der charakteristischen Ionisierungsschwellen als von den ly-stabilisierten arialen und allylischen Radikalen stammend identifiziert. Für viele Werte des Masse-Ladungs-Verhältnisses werden routinely mehrere Isomere durch Beobachtung mehrerer Schwellen identifiziert. Viele Beispiele wurden in der Literatur ausführlich diskutiert.Beispielsweise beträgt das Master-Ladungsverhältnis 40 für Alen und Propan, 44 für Ethanol und Acetaldehyd, 54 für 1,3-Butadien, n-Butan und 2-Butan bzw. 78 für Fulin und Benzol. Sobald die Isomerzusammensetzung bekannt ist, werden Massenspektren bei verschiedenen Photonenenergien und aus unterschiedlichen Positionen in der Flamme aufgenommen, um die bestimmung isomerspezifischer Molbruchprofile der einzelnen Spezies zu ermöglichen. Als Funktion der Entfernung von der Brenneroberfläche sind hier repräsentative Molbruchprofile von Fulin und Benzol in einer STO-geometrischen Propanflamme aus dem niederdruckvorgemischten Brenner dargestellt.Für jede Flamme werden typischerweise insgesamt 40 bis 50 individuelle Molbruchprofile für Spezies bestimmt, und zwar von einem Masse-Ladungs-Verhältnis gleich eins bis zu einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 78 oder sogar höher, abhängig von den wissenschaftlichen Zielen. Diese Molbruchprofile werden anschließend verwendet, um die Vorhersagefähigkeit von Modellen der Verbrennungschemie zu bewerten und sie zu validieren. Hier ist ein typisches Aerosol-Massenspektrum dargestellt, das innerhalb einer propangefederten Gegendiffusionsflamme aufgenommen wurde; ein Ionsignal wurde für Spezies mit Masse-Ladungs-Verhältnissen von 150 bis 600 beobachtet, mit einem Maximum bei etwa 202.Es übersteigt die derzeitigen experimentellen Möglichkeiten, alle in dem Massenspektrum beobachteten Spezies zu identifizieren oder ihre möglichen Bildungswegwege aufzuklären. Die Aufnahme solcher Massenspektren als Funktion des Abstands von der Brennstoffauslassöffnung liefert räumlich aufgelöste Profile. Ein repräsentatives Beispiel wird hier für das Masse-Ladungs-Verhältnis gleich 256 gezeigt. Ähnliche Profile können ebenfalls für jede andere Spezies erhalten werden, die folglich als Validierungsziele für jedes Verbrennungschemiemodell verwendet werden könnten.Wenn die Methode einmal beherrscht ist, kann ein versierter Anwender mit dieser Technik innerhalb weniger Stunden einen vollständigen Datensatz der Flammenmessungen aufzeichnen.

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