Name: Los experimentos de la llama a la fuente de luz avanzada: nuevos conocimientos sobre los procesos de formación de hollín (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-05-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 4 s
Description: Descubre el análisis de la composición química de llamas de hidrocarburos a escala de laboratorio mediante espectrometría de masas con fotoionización ultravioleta de vacío. Este método proporciona información detallada sobre procesos de combustión y química atmosférica.

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Sandia es un laboratorio multiprograma operado por Sandia Corporation, Lockheed Martin Company, de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear bajo contrato DE-AC04-94-AL85000. El trabajo también fue apoyado por el Departamento de Energía de los EE.UU., Oficina de Ciencias Básicas de Energía en el marco del proyecto Pequeño Grupo de Investigación Individual Investigador (Grant N º DE-SC0002619) del Prof. Violi (Universidad de Michigan, Ann Arbor). KRW es apoyado por el Departamento de Energía, Oficina de Ciencia, Programa de Investigación de Carrera Temprana bajo el Departamento de Energía de Contrato No. DE-AC02-05CH11231 EE.UU.. La fuente de luz avanzada con el apoyo del Director de la Oficina de Ciencia, Oficina de Ciencias Básicas de Energía, del Departamento de Energía de los EE.UU. bajo el Contrato No. DE-AC02-05CH11231. KKH reconoce apoyo constante de parte de esta investigación por la DFG bajo contrato KO 1363/18-3.

1. Los experimentos en fase gaseosa <ol><li> Encendiendo la baja presión premezclado Llama <ol><li> Asegúrese de que el agua de refrigeración fluye a través de la pared del quemador y cámara de la llama y que la cámara de la llama se bombea hasta ~ 0,1 mbar. </li><li> Establecer un 1 L / min de flujo de argón y un flujo de 1,5 L / min de oxígeno a través de la superficie del quemador y mantener una presión de 80 mbar (60 Torr) en la cámara de la llama. </li><li> Coloque el dispositivo de ignición de hilo caliente sobre la superficie del quemador; establecer el flujo de hidrógeno a 0,4 L / min, y rápidamente activar el encendedor. </li><li> Después del encendido, apague el dispositivo de ignición de hilo caliente, y vuelva a colocarlo lejos del quemador. </li><li> Establecer los flujos deseados de argón, oxígeno, hidrógeno, y el combustible. Ajuste la presión para que coincida con las condiciones de la llama de destino [generalmente 20-40 mbar (15-30 Torr)]. Nota: Las condiciones de llama para llamas individuales se proporcionan en la literatura original. Por ejemplo, los flujos de la aleno estequiométrica y propino llamas sonenumerados en Hansen et al 22. </li></ol></li><li> Adquisición de fotoionización Eficiencia (PIE) Curves - Scan Energy <ol><li> Cuando la presión en la cámara de ionización es ≤ 10 -6 mbar, se aplican las tensiones a la óptica de iones del espectrómetro de tiempo-de-vuelo de masas y detector de placa de microcanal y abrir las válvulas de la línea de luz. Nota: Los experimentos de calibración anteriores (no se muestra en el video) se utilizaron para encontrar los valores de voltaje para un rendimiento óptimo del espectrómetro de masas. </li><li> Inicie el programa de adquisición de datos Labview &quot;Interface.vi General&quot; (Figura 2) y mueva el quemador a la posición deseada utilizando la pestaña &quot;Motor&quot; en el software. Nota: Este código de LabVIEW fue desarrollado en la línea de luz y está disponible bajo petición. </li><li> Utilice la pestaña &quot;General&quot; para definir los parámetros de exploración, es decir, el número de pasos por eV de energía fotónica. Típicamente, un tamaño de paso de 0,05 eV esutilizado. </li><li> Utilice la ficha &quot;ALS&quot; para ajustar la energía del fotón del valor de salida deseado, y definir el &quot;ELA Energy&quot; para ser &quot;activo&quot;. </li><li> En el panel &quot;Control&quot;, activar &quot;K6485&quot; para leer la fotocorriente medida por el fotodiodo. </li><li> En la pestaña &quot;P7886&quot;, utilice el botón &quot;Ajustar parámetros&quot; para ajustar el número de barridos (normalmente entre 2 19 y 2 21), el número de contenedores (normalmente 48k) y el ancho de caja (500 psec). </li><li> Introduzca una ruta de archivo válida y el nombre y haga clic en &quot;Start&quot; para iniciar el proceso de adquisición de datos controlado por ordenador. </li></ol></li><li> Adquisición de espectros de masas - Quemador Scan <ol><li> Aplicar las tensiones como para las exploraciones de energía a la óptica de iones del espectrómetro de tiempo-de-vuelo de masas y detector de placa de microcanal. </li><li> Abra las válvulas de la línea de luz para permitir que el haz de fotones en la cámara. </li><li> Abrir el ACQ datos Labviewprograma uisition &quot;Interface.vi General&quot;. </li><li> Mediante la pestaña &quot;Motor&quot; en el software, utilice la &quot;basculador&quot; para mover la superficie del quemador lo más cerca posible del cono de muestreo, y definir esa posición como el &quot;origen&quot;. Definir el motor a ser &quot;activo&quot;. </li><li> Utilice a la pestaña &quot;General&quot; para definir los parámetros de exploración, es decir, el número de pasos por mm de movimiento del quemador. Los valores típicos son de 0-5 mm en 20 pasos, 5-20 mm en 15 pasos, y 20-30 mm en 5 pasos. </li><li> Utilice la ficha &quot;ALS&quot; para establecer la energía de los fotones en el valor deseado. Los valores típicos son 8-16,65 eV. </li><li> En el panel &quot;Control&quot;, activar &quot;K6485&quot; para leer la fotocorriente medida por el fotodiodo. </li><li> En la pestaña &quot;P7886&quot;, utilice el botón &quot;Ajustar parámetros&quot; para iniciar una sub-VI (Figura 3) para establecer el número de barridos, es decir, el número de Adde espectros de masasD en la parte superior de cada otra en cada posición del quemador (normalmente entre 2 19 y 2 21), el número de contenedores (normalmente 48K), y el ancho de caja (500 PSEC). </li><li> Proporcionar una ruta de acceso válida y un nombre y haga clic en &quot;Start&quot; para comenzar el proceso de adquisición de datos automatizado. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2. Interfaz gráfica de usuario del programa de adquisición de datos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. Interfac gráfica de usuarioe para los parámetros del escalador de varios canales de entrada. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 2. Experimentos de aerosol <ol><li> Encendiendo la presión próxima a la atmosférica Llama flujo Opuesto <ol><li> Asegúrese de que el agua de refrigeración fluye a través del quemador, que los puntos de venta de reactivos son aprox. 10 mm entre sí, y que la cámara de la llama se bombea hacia abajo a la presión alcanzable mínimo (~ 2 mbar). </li><li> Llene la cámara de la llama con argón y llevar la presión hasta ~ 860 mbar (650 Torr). </li><li> Coloque la bobina de encendido aprox. en el centro de las dos salidas de los quemadores. </li><li> Establecer los flujos de gas de la siguiente manera (Ar ya debería estar fluyendo ya que se utilizó para llenar la cámara): corriente oxidante: O 2 0,3 L / min y Ar 1.6 L / min; Coflow corriente oxidante: Ar 2.5 L / min; Corriente de combustible: H 2 0,3 L / min, Ar 2,5 L / min; Coflow flujo de combustible: Ar2,5 l / min. </li><li> Abra las válvulas de hidrógeno y oxígeno, y cambiar inmediatamente de bobina de encendido. </li><li> Una vez que la llama se enciende, apague la bobina de encendido, y retractarse. </li><li> Establecer los flujos deseados de oxígeno, argón, y el combustible. Apagar el flujo de hidrógeno, y la presión de ajuste y la separación de salida reactivo a los valores deseados para la llama de destino. Nota: Los tipos de flujo para la llama de propano, que se muestra en el video, se proporcionan en Skeen et al 4. </li></ol></li><li> Adquisición de un Espectro de masas de aerosol <ol><li> Aplicar las tensiones adecuadas para la óptica de iones y el detector de la AMS. Nota: Los ajustes de voltaje para un rendimiento óptimo se encontraron en los experimentos de calibración anteriores, que no se muestran en el video. </li><li> Abra el programa de adquisición de datos Labview &quot;General Opuesto-Interface-Flow.vi&quot;. Nota: Este VI es una modificación de la &quot;Interface.vi general&quot;, en la que el control del motor se ha actualizado paracoincidan con las nuevas necesidades. </li><li> Utilice la aplicación &quot;basculador&quot; en la pestaña de &quot;Motor&quot; para traducir el quemador opuesto de flujo para que la microsonda de cuarzo está en la posición más cercana a la toma de corriente de combustible (Figura 4). Si bien en esta posición, vuelva a la posición del motor de paso a cero. En éste se define la posición de &quot;origen&quot;. </li><li> Abrir lentamente la válvula de bola de un cuarto de giro que permite el flujo de la línea de la llama de muestreo en la lente aerodinámica del sistema (ADL). Confirmar que la presión en la salida de la ADL es cerca de 1 x 10 2 mbar. </li><li> Utilice la pestaña &quot;General&quot; para definir los parámetros de exploración, es decir, el número de pasos por mm de movimiento quemador (exploración quemador) o energía fotónica (exploración de la energía). </li><li> Utilice la ficha &quot;ALS&quot; para ajustar la energía del fotón que desee y utilizar la pestaña &quot;Motor&quot; para mover el quemador a la posición del quemador deseado. </li><li> Utilice la ficha &quot;P7886&quot; y el &quot;Set Parámetros &quot;botón en él para ajustar los parámetros de adquisición. </li><li> Definir &quot;Motor&quot; (exploración quemador) o &quot;ALS Energy&quot; (exploración de la energía) para ser &quot;activo&quot;. </li><li> Introduzca una ruta de archivo válida y un nombre en los campos correspondientes y haga clic en &quot;Inicio&quot;. Aerosol espectros de masas se toman ahora de forma automática. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Interfaz gráfica de usuario para el movimiento del quemador para el montaje de la llama opuesto-flow. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

<ol><li>Hansen, N., Cool, T. A., Westmoreland, P. R., Kohse-Höinghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+contributions+of+flame-sampling+molecular-beam+mass+spectrometry+to+a+fundamental+understanding+of+combustion+chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Energy+and+Combustion+Science%22%5BJournal%5D)">Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of combustion chemistry.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 35, 168-191 (2009).</li>
<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>

Los autores no tienen nada que revelar.

La combinación descrita de la llama-muestreo y VUV basado en sincrotrón ionización de fotón único con espectrometría de masas proporciona la visión más detallada en la composición química de las llamas en la actualidad posibles modelo basado en el laboratorio. El espectrómetro de masas proporciona la detección universal de todas las especies de llama muestreados simultáneamente con una alta sensibilidad (rango ppm) durante un amplio rango dinámico. Instrumental para el éxito de esta técnica es el uso de fotones VUV sincrotrón-generada, cuyas energías puede ser fácilmente ajustado, para proporcionar una buena selectividad entre isómeros y de control de la fragmentación. El último factor es importante en el análisis de mezclas complejas. Las capacidades del experimento descrito son incomparables por cromatografía de gases, que se utiliza comúnmente para el isómero de separación, y por medio de técnicas de ionización convencionales que utilizan electrones energéticos. Limitaciones de la técnica basada en sincrotrón surgen del hecho de que, especialmente para grandes relaciones masa-carga, MAny diferentes isómeros son concebibles, que luego no se puede identificar de forma única, y sus contribuciones no se pueden separar de forma fiable 1. Los resultados experimentales, en la forma de composiciones de llama isómero resuelto, pueden producir la mejora de los modelos cinéticos de la química de combustión en un nivel molecular excepcionalmente detallada. Los experimentos descritos son muy complicados y una descripción de los procedimientos de solución de problemas están más allá de lo que puede ser documentada en el video y / o la sección de protocolo de este manuscrito. Este hecho también es cierto para los procedimientos de análisis de datos. Las modificaciones en el montaje experimental se realizan normalmente fuera de línea entre el &quot;tiempo de haz&quot; asignado. Debido a que el énfasis de estos experimentos es en la determinación cuantitativa de productos intermedios de combustión, es muy crítico tener llamas estables y reproducibles. Además, es necesario elegir sabiamente las energías de los fotones y los otros parámetros de exploración para obtener unaconjunto n adecuada de los datos experimentales de que es suficiente para una determinación fiable de la estructura de la llama. Los experimentos realizados en la llama de la Fuente de Luz Avanzada han contribuido con éxito a desentrañar la química de la formación de benceno en las llamas de hidrocarburos 7. Un papel prominente de los radicales estabilizado por resonancia como precursores se ha establecido, por ejemplo, con la identificación de la propargilo, alilo, y I-C 4 H 5 radicales. Debido a la formación de benceno se piensa que es sólo el primer paso en el proceso general de formación de hollín, los esfuerzos adicionales están en curso en la fuente de luz avanzada para identificar la composición química de las partículas de hollín de la llama en la muestra. En comparación con los anteriores experimentos de hollín de muestreo similares 28, este experimento de aerosol-muestreo recién establecida permite la grabación de cerca-umbral de espectros de masas, lo que significa que la energía del fotón puede ser sintonizado con precisión to sólo ligeramente por encima de las energías de ionización de los componentes &quot;, evitando así la fragmentación. Además, fragmentaciones también se evitan en gran medida mediante el empleo del proceso de flash vaporización en el bloque de cobre de temperatura controlada. Sin embargo, el experimento se encuentra limitado por no ser capaz de proporcionar datos cuantitativos. Además, los espectros de masas de grabados no son de partícula específico, pero promediados sobre muchas partículas probable que varían en composición y tamaño. Además, la condensación puede ocurrir y ocurre en la sonda de muestreo, lo que complica la identificación de las especies asociadas con las partículas en la llama. Además, las especies detectadas deben ser lo suficientemente volátil para ser vaporizado en la temperatura del bloque de cobre (300-400 ° C) bajo vacío. Sin embargo, los datos cualitativos temprano sugiere que las composiciones de especies precursoras de hollín dependen de la estructura química del combustible y que los mecanismos de hollín precursor de formación se accionan cinéticamente a diferencia de Therhemodinámicamente. Los esfuerzos de espectrometría de masas de aerosoles se encuentran actualmente en las primeras etapas, y los conocimientos adquiridos hasta el momento identificar más oportunidades de investigación. El trabajo futuro en los procesos de formación de hollín es probable que se centran en la química más allá del primer anillo aromático, es decir, la formación de indeno, naftaleno, antraceno, etc, y sus isómeros. El objetivo final es entender la química (y física) de la creación de las partículas, y para desarrollar un modelo predictivo que puede describir todo el proceso de formación de hollín (de oxidación del combustible a la coagulación de partículas).

El establecimiento de un mecanismo coherente y predecible para los procesos de crecimiento molecular y la formación de hollín es uno de los mayores desafíos en la combustión química 8,9 de investigación. Los procesos de combustión representan más de la mitad de la contaminación del aire de partículas finas (PM 2,5 - partículas finas definidas por un diámetro aerodinámico de ≤ 2,5 micras), y, para reducir la emisión de estos subproductos de la combustión no deseados, es importante saber sus identidades, las concentraciones , y la formación de pathways 10. La naturaleza de los subproductos de la combustión se ve influenciada por el combustible y las condiciones en las que se quema. Muchos estudios han relacionado las emisiones de combustión a los efectos ambientales y de salud agudos 11-13. Por ejemplo, las partículas generadas por la combustión tienen una fuerte influencia en la calidad del aire, la visibilidad atmosférica, y el balance radiativo de la atmósfera de la Tierra. Se supone que la composición química de la suspensión en el aire peinepartículas USTIÓN generados determina su toxicidad, que se asocia comúnmente con los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Las últimas especies se consideran los precursores moleculares de hollín, y que se forman en los procesos de combustión incompleta. Una vez más, para identificar estos procesos sigue siendo un problema difícil. En general, las reacciones de combustión, que están en el origen de estas emisiones, siguen complicados descomposición de combustible y las vías de oxidación, con la participación de muchas especies reactivas diferentes. Están conectados a una red de cientos o incluso miles de reacciones cuyas tasas dependerá de la temperatura y la presión 14,15. Laminar, premezclada, llamas planas quemador estabilizado, que se pueden establecer a presiones tan bajas como de 20 a 80 mbar (15-60 Torr), representan uno de los entornos estándar de combustión utilizados para desentrañar esta red química compleja e investigar el contaminante potencial de uny dada de combustible prototipo 16. En esta configuración, el combustible y el oxidante se mezclan ya cuando llegan al frente de la llama; por lo tanto, la velocidad de combustión está dominado por procesos químicos y no por la mezcla. Al operar estas llamas a una presión sub-atmosférica, el espesor físico de la zona de reacción se incrementa, lo que permite mejorar la resolución espacial de la temperatura y de concentración de gradientes con técnicas basadas en láser o una sonda de muestreo de 1,17. Con el fin de analizar con precisión la composición química de tales llamas, se requiere una herramienta analítica que proporciona la detección universal de todas las especies simultáneamente, alta sensibilidad y el rango dinámico, una buena selectividad entre los isómeros, y el control de la fragmentación molecular. Un gran avance en la investigación de combustión-química se logra con el uso de espectrometría de masas de llama-muestreo a fuentes de luz de sincrotrón donde se utiliza sintonizable de vacío-ultravioleta (VUV) de radiación para cerca-threShold de fotón único ionización 5,6. En los experimentos de la llama de la fuente de luz avanzada (ALS) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que se muestran en el vídeo que acompaña, muestras de gas son retirados de entre las llamas premezcladas por un cono de cuarzo, ampliado en alto vacío, y se ionizan por VUV aquellos fotones 1,5. El montaje experimental se muestra esquemáticamente en la Figura 1. La clave para el éxito de este experimento ha sido la capacidad de sintonizar la energía de los fotones ionizantes en un rango adecuado para minimizar o incluso evitar fotofragmentación y permitir isómero especificidad 1,3 , 5,18. Como se muestra en el video, la eficiencia de fotoionización (PIE) curvas se pueden grabar mediante la regulación de la energía de los fotones 19, que nos permiten identificar las especies isoméricas específicos en la mezcla de la llama complicado. Las curvas de PIE para especies individuales suelen tener características distintas, es decir, los umbrales de ionización, formas e intensidades. El vídeo de unLSO muestra el enfoque experimental utilizado para determinar los perfiles de fracción molar de los componentes individuales como una función de la distancia a la superficie del quemador. Estos experimentos de combustión a base ALS-se han centrado en los procesos de formación de hollín en las llamas de hidrocarburos y de la oxidación de la próxima generación, combustibles oxigenados, bio-derivado 1,20. Con respecto al problema de la formación de hollín, los experimentos revelaron muchos nuevos puntos de vista. En resumen, ahora se entiende que la estructura química del combustible influye en la identidad (y la cantidad) de las moléculas precursoras y que, por consiguiente muchos caminos diferentes pueden contribuir a la primera etapa del proceso general de formación de hollín 7,21. Ideas aún más en la química de la formación de hollín fueron ganados en la identificación de los componentes químicos de las nanopartículas de hollín de la llama generada con un espectrómetro de masas de aerosol a base de ALS. En este nuevo experimento, que es explained en la segunda mitad del video, se utilizan no premezclada (difusión) llamas. El montaje experimental se muestra también en la Figura 1. En esta configuración, una llama se establece a presión próxima a la atmosférica [933 mbar (700 torr)] entre dos chorros laminares opuestas de combustible y el oxidante. Debido a que los flujos de combustible y oxidante permanecen separadas fuera de la zona de reacción, esta configuración proporciona una buena oportunidad para examinar los procesos de crecimiento moleculares. Partículas de la llama generada se retiran de la llama usando una microsonda de cuarzo y, posteriormente, se concentraron con un sistema de lentes aerodinámico sobre un objetivo de cobre calentada, donde las partículas parpadean vaporizar y romper aparte en sus componentes individuales. Estos bloques moleculares son entonces ionizados por los fotones VUV del ALS, y los iones correspondientes se seleccionan masa 4. No todo el trabajo necesario se puede mostrar en el video, pero los datos de aerosoles sugieren que los mecanismos de formación de hollín pueden ser kineticall<html> y y no controlada termodinámicamente. Además, los datos también indican que el ampliamente aceptado abstracción de H-C 2 H 2-adición (HACA) mecanismo, en el que las especies aromáticas pequeños crecen a los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP más grandes) por una secuencia repetitiva de abstracción de H y C 2 H 2 reacciones de adición, no pueden explicar todos los componentes de las partículas observadas. Combinado con el vídeo, el siguiente protocolo detalla los procedimientos de adquisición de datos. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Diagrama esquemático del haz molecular llama muestreo de aerosoles y experimentos de espectrometría de masa en la fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Con los permisos de Refs. 2 y 4.9fig1highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

<table><tbody><tr><td>Espectrómetro</td><td></td><td></td> de masas de muestreo <td>de llama hecho a medida</td></tr><tr><td>Espectrómetro</td><td></td><td></td> de masas de aerosoles <td>hecho a medida</td></tr></tbody></table>

los experimentos de la llama a la fuente de luz avanzada: nuevos conocimientos sobre los procesos de formación de hollín

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

Los siguientes protocolos experimentales y el video adjunto se refieren a los experimentos de llama que se realizan en el Chemical Dynamics línea de luz de la fuente de luz avanzada (ALS) del Lawrence Berkeley National Laboratory 1-4. Este video muestra cómo se analizan las complejas estructuras químicas de modelo basado en el laboratorio llamas mediante espectrometría de masas de llama-muestreo con sintonizable (VUV) radiación sincrotrón generada vacío ultravioleta. Este enfoque experimental combina capacidades de isómeros-resolución con alta sensibilidad y un amplio rango dinámico de 5,6. La primera parte del video describe experimentos con quemador estabilizada, baja presión (20-80 mbar) premezcladas laminares llamas. Un combustible de hidrocarburo pequeña se utilizó para la llama seleccionado para demostrar el enfoque experimental general. Se muestra cómo los perfiles de las especies se adquieren en función de la distancia desde la superficie del quemador y cómo la capacidad de ajuste de la VUVenergía de los fotones se utiliza ventajosamente para identificar muchos de los productos intermedios de combustión sobre la base de sus energías de ionización. Por ejemplo, esta técnica se ha utilizado para estudiar aspectos de gas y fase de los procesos de formación de hollín, y el video muestra cómo los radicales estabilizado por resonancia, como C 3 H 3, C 3 H 5 y i-C 4 H 5, se identifican como productos intermedios importantes 7. El trabajo se ha centrado en los procesos de formación de hollín, y, desde el punto de vista químico, este proceso es muy interesante porque las estructuras químicas que contienen millones de átomos de carbono se ensamblan a partir de una molécula de combustible que sólo poseen unos pocos átomos de carbono en sólo milisegundos. La segunda parte del video pone de relieve un nuevo experimento, en el que una llama de difusión de flujo opuesto y espectrometría de masas de aerosol a base de sincrotrón se utilizan para estudiar la composición química de las partículas de hollín generadas por la combustión 4. Los resultados experimentales indican Tsombrero el mecanismo ampliamente aceptado abstracción de H-C 2 H 2-adición (HACA) no es el único proceso de crecimiento molecular responsable de la formación de los hidrocarburos observadas grandes aromáticos policíclicos (HAP).

Un espectro de masas típico de los gases de la llama en la muestra desde el quemador premezclado de baja presión se muestra en la Figura 5. Las identidades de las especies que contribuyen a la señal son reveladas por la eficiencia de fotoionización de la llama en la muestra (PIE) curvas para cada masa-a- carga (m / z) ratio y su comparación con conocidas energías de ionización isómero específico y curvas circulares. Los ejemplos típicos de las curvas de PIE de llama en la muestra se muestran en la Figura 6 para m / z = 39 (C 3 H 3) y 41 (C 3 H 5). Los datos se han tomado de una llama propino estequiométrica 22. La señal se identifica de forma inequívoca por sus umbrales de ionización característicos que se originan a partir de los radicales propargílicos y alilo resonantemente estabilizados. Para muchos valores de m / z, múltiples isómeros se identifican de forma rutinaria mediante la observación de múltiples umbrales. Muchos ejemplos se han discutido ampliamente en la literatura, por ejemplo, m / z= 40 (aleno y propino), 44 (ethenol y acetaldehído), 54 (1,3-butadieno, 1-butino, y 2-butino), o 78 (fulveno y benceno) 23-27. <img alt="La figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. Espectro de tiempo de vuelo en masa. Grabado con fotones de 9,9 eV a 1,25 mm de distancia de la de baja presión del quemador premezclado en un estequiométrica propino-O 2 de la llama. Todos los picos se pueden asignar fácilmente a diversos productos intermedios de combustión como se indica en el siguiente paso. <img alt="La figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Llama muestreada-curvas de eficiencia de fotoionización para m / z = 39 y 41. Los radicales resonante estabilizadas propargilo y unllyl sin ambigüedad puede ser identificado sobre la base de los umbrales de ionización observados. Una vez que la composición isomérica es conocido, los espectros de masas se toman en diferentes energías de los fotones y desde dentro de diferentes posiciones en la llama, como se describe anteriormente en la Sección de Protocolo, para permitir la determinación de los perfiles de fracción molar-isómero específico de las especies individuales como función de la distancia desde la superficie del quemador. Representativos perfiles de fracción molar de fulveno y benceno en una llama propino estequiométrica del quemador de premezclado de baja presión se muestran en la Figura 7 22. Para cada llama, típicamente un total de 40 a 50 perfiles de fracción molar individuales se determinan para las especies que van desde m / z = 1 (átomo de H) a m / z = 78 (benceno y / o fulveno) o incluso más, dependiendo de los objetivos científicos. Estos perfiles de fracción molar se utilizan para evaluar la capacidad predictiva de los modelos de combustión química y para validate ellos. <img alt="La figura 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7. Experimentales perfiles de fracción molar. Perfiles de fulveno y benceno en una llama propino estequiométrica del quemador premezclado de baja presión. Un espectro típico de masa de aerosol se muestra en la Figura 8. Fue tomada desde dentro de un propano llama de difusión de flujo opuesto. Se observó señal de iones para especies con proporciones m / z de 150 a 600, con un pico alrededor de m / z = 226. Está más allá de las capacidades experimentales actuales para identificar todas las especies observadas en el espectro de masas o de desentrañar sus posibles vías de formación. Tomando como espectros de masas como una función de la distancia desde la salida de combustible como se describe anteriormente (y se muestra en el video) proporciona perfiles espacialmente resueltas. Un repreejemplo tante se muestra en la entrada de la figura 8 para la especie m / z = 256 (C 20 H 16). Perfiles similares se pueden obtener por cualquiera de las otras especies, así, que por lo tanto podría ser utilizado como objetivos de validación para cualquier modelo de combustión-química. <img alt="Figura 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig8highres.jpg" width="500" /> Figura 8. Muestreada-Llama espectro de masas de aerosol desde un propano-O 2 de difusión de flujo opuesto a la llama. La entrada muestra un representante perfil espacialmente resuelto para el C 20 H 16 especies en m / z = 256.

Toma de muestras de gas de las llamas a escala de laboratorio con el análisis en línea de todas las especies de la espectrometría de masas es un poderoso método para investigar la compleja mezcla de compuestos químicos que se producen durante los procesos de combustión. Junto con ionización suave puede ajustar mediante la radiación ultravioleta de vacío-sincrotrón generada, esta técnica proporciona información isómero resuelto y libre de fragmentos potencialmente espectros de masas.

Los experimentos de la llama a la fuente de luz avanzada: nuevos conocimientos sobre los procesos de formación de hollín

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

El objetivo general de este procedimiento es analizar la composición química de llamas de hidrocarburos a escala de laboratorio, con el fin de obtener una comprensión detallada de su formación en ambientes de combustión. Esto se logra primero estableciendo llamas premiscidas estabilizadas por quemador bajo una presión reducida de aproximadamente 20 a 80 milibares. El segundo paso consiste en extraer gases de estas llamas y luego determinar la identidad química de las especies muestreadas mediante un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo personalizado con ionización por fotoionización ultravioleta en vacío.A continuación, se determina la concentración de estas especies como una función de la distancia respecto al quemador. El paso final consiste en utilizar un enfoque similar para estudiar la composición química de las partículas generadas por la combustión, que son el resultado de procesos de formación en fase gaseosa. En última instancia, espectrometría de masas con muestreo de llama y ultravioleta de vacío.La ionización por foto se utiliza para demostrar que los radicales estabilizados por resonancia son intermediarios importantes, y que un solo mecanismo sencillo no puede explicar todos los componentes de hollín observados. Aunque este método puede proporcionar información sobre los procesos de combustión, también puede emplearse para estudiar la química atmosférica, la dinámica molecular y la cinética, entre otras cosas. Primero, establezca un flujo de un litro por minuto de argón y un flujo de 1,5 litros por minuto de oxígeno a través de la superficie del quemador, y mantenga una presión de 80 milibares en la cámara de la llama.Coloque el encendedor de hilo caliente sobre la superficie del quemador. Luego, ajuste el flujo de hidrógeno a 0,4 litros por minuto y active rápidamente el encendedor tras la ignición. Apague el encendedor de hilo caliente y reposiciónelo lejos del quemador.A continuación, establezca los flujos deseados de oxígeno, hidrógeno y combustible de Argonne. Ajuste la presión para que coincida con las condiciones de la llama objetivo, que normalmente se encuentra entre 20 y 40 milibares cuando la presión en la cámara de ionización es menor o igual a 10 a la menos seis milibares. Aplique los voltajes a la óptica iónica del espectrómetro de masas por tiempo de vuelo y al detector de placa de microcanales, y abra las válvulas de la línea de haces.Inicie el programa de adquisición de datos de vista de laboratorio interfaz general vi y mueva el quemador a la posición deseada utilizando la pestaña de motor en el software. A continuación, utilice la pestaña general para definir los parámetros de escaneo o el número de pasos por electrón voltio de energía de fotón. Tras esto, use la pestaña A LS para ajustar la energía de fotón al valor inicial deseado y defina la energía a LS para que esté activa en la pestaña P 78 86.Utilice el botón de parámetros establecidos para definir el número de barridos, el número de contenedores y el ancho del contenedor. Luego, introduzca una ruta y un nombre de archivo válidos y haga clic en iniciar para comenzar el proceso de adquisición de datos con control por computadora. Para la adquisición de los escaneos del quemador, aplique los voltajes utilizados en los escaneos de energía a la óptica iónica del espectrómetro de masas de tiempo de vuelo y al detector de placa de microcanales.Abra las válvulas de la línea de haz para permitir que el haz de fotones entre en la cámara. Después de abrir el programa de adquisición de datos LabVIEW y su interfaz general vi, utilice el control de avance bajo la pestaña de motor para mover la superficie del quemador lo más cerca posible del cono de muestreo y defina esa posición como el origen. Luego, defina el motor como activo.Utilice la pestaña general para definir los parámetros de escaneo o el número de pasos por milímetro de movimiento del quemador. A continuación, utilice la pestaña LS para ajustar la energía de los fotones al valor deseado, que normalmente se encuentra entre 8 y 16,65 electronvoltios en la pestaña P 78 86. Utilice el botón establecer parámetros para iniciar un instrumento virtual secundario que permita definir el número de barridos o el número de espectros de masas sumados unos encima de otros en cada posición del quemador, así como el número de contenedores y el ancho de cada contenedor.A continuación, proporcione una ruta de archivo y un nombre válidos, y haga clic en "start" para iniciar el proceso automatizado de adquisición de datos. Se utilizan llamas de flujo opuesto con RAAs para los experimentos con aerosoles. Para comenzar, llene la cámara de llama con argón y aumente la presión hasta aproximadamente 860 milibares. Coloque la bobina de encendido aproximadamente en el centro de las dos salidas del quemador.Establezca el flujo del oxidante en 0.3 litros por minuto para oxígeno y 1.6 litros por minuto para argón, y el flujo secundario del oxidante en 2.5 litros por minuto para argón. Luego, establezca el flujo del combustible en 0.3 litros por minuto para hidrógeno y 2.5 litros por minuto para argón, y el flujo secundario del combustible en 2.5 litros por minuto. Para el argón, abra las válvulas de hidrógeno y oxígeno e inmediatamente encienda la bobina de encendido.Una vez que la llama esté encendida, apague la bobina encendedora y retráigala. En este momento, establezca los flujos deseados de oxígeno, argón y combustible. Apague el flujo de hidrógeno y ajuste la presión y la separación de la salida de reactivos a los valores deseados.Para la llama objetivo. Aplique los voltajes adecuados a la óptica iónica y al detector del espectrómetro de masas de aerosoles. Luego, abra el programa de adquisición de datos LabVIEW, interfaz general del flujo opuesto vi.Utilice la aplicación jogger en la pestaña del motor para trasladar el quemador de flujo opuesto de manera que el microquemador de cuarzo quede en la posición más cercana a la salida de la corriente de combustible. En esta posición, restablezca la posición del paso del motor a cero. A continuación.Abra lentamente la válvula esférica de cuarto de vuelta para permitir el flujo desde la línea de muestreo de la llama hacia la lente aerodinámica o un sistema DL. Confirme que la presión en la salida del DL-A sea cercana a uno por diez a la menos dos milibares. Utilice la pestaña general para definir los parámetros de escaneo o el número de pasos por milímetro de movimiento del quemador o energía de fotones.Utilice la pestaña LS para establecer la energía de fotones deseada y utilice la pestaña del motor para mover el quemador a la posición deseada. A continuación, utilice la pestaña P 78 86 y el botón de configuración de parámetros que se encuentra allí. Para establecer los parámetros de adquisición, defina el motor o la energía LS como activos.Inserte una ruta de archivo válida y un nombre en los campos correspondientes y haga clic en iniciar para adquirir los espectros de masas del aerosol. Aquí se muestra un espectro de masas típico de gases muestreados de la llama procedentes del quemador premezclado de baja presión. Las identidades de las especies que contribuyen a la señal se revelan mediante las curvas de eficiencia de fotoionización (PIE) de los gases muestreados de la llama para cada relación carga/masa principal y su comparación con energías de ionización específicas de isómeros conocidos y curvas PIE.Se muestran aquí ejemplos típicos de curvas PIE obtenidas por muestreo de llama. Para una relación de carga maestra igual a 39 y 41. Los datos se obtuvieron de una llama estequiométrica de propano.La señal se identifica inequívocamente por sus umbrales característicos de ionización como proveniente de los radicales arial y alélico estabilizados por el litio. Para muchos valores de relación carga-masa, se identifican rutinariamente múltiples isómeros mediante la observación de múltiples umbrales. Muchos ejemplos han sido discutidos ampliamente en la literatura.Por ejemplo, la relación de carga principal es igual a 40 para el aleno y el propano, 44 para el etanol y el acetaldehído, 54 para el 1,3-butadieno, el 1-butano y el 2-butano, o 78 para el fulveno y el benceno. Una vez conocida la composición de isómeros, se obtienen espectros de masas a diferentes energías de fotones y desde distintas posiciones dentro de la llama, lo que permite determinar los perfiles de fracción molar específicos para cada isómero de las especies individuales. Como función de la distancia respecto a la superficie del quemador, aquí se muestran los perfiles representativos de fracción molar de fulveno y benceno en una llama de propano geométrica STO procedente de un quemador premixto de baja presión.Para cada llama, normalmente se determina un total de 40 a 50 perfiles individuales de fracción molar para especies que van desde una relación de carga principal igual a uno hasta una relación de carga principal igual a 78 o incluso superior, dependiendo de los objetivos científicos. Luego, estos perfiles de fracción molar se utilizan para evaluar las capacidades predictivas de los modelos de química de combustión y para validarlos. Aquí se muestra un espectro típico de masa de aerosol, tomado dentro de una llama de difusión de flujo opuesto de propano; se observó una señal iónica para especies con relaciones de carga principal que variaban desde 150 hasta 600, con un pico alrededor de 202.Está más allá de las capacidades experimentales actuales identificar todas las especies observadas en el espectro de masas o desentrañar sus posibles vías de formación. Tomar espectros de masas como función de la distancia desde la salida del combustible, tal como se describe, proporciona perfiles resueltos espacialmente. Aquí se muestra un ejemplo representativo para la relación masa-carga igual a 256. Se pueden obtener perfiles similares para cualquiera de las otras especies, los cuales podrían utilizarse consecuentemente como objetivos de validación para cualquier modelo de química de combustión.Una vez dominada, un operador competente puede utilizar esta técnica para registrar un conjunto completo de datos de la llama en solo unas pocas horas.

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