Esperimenti di fiamma alla Advanced Light Source: nuove informazioni sui processi fuliggine Formazione

L'obiettivo generale di questa procedura è analizzare la composizione chimica delle fiamme di idrocarburi su scala di laboratorio, per sviluppare una comprensione dettagliata di tale formazione in ambienti di combustione. Ciò si ottiene stabilendo prima le fiamme premiscelate stabilizzate del bruciatore a una pressione ridotta di circa 20-80 millibar. Il secondo passo consiste nel prelevare i gas da queste fiamme e quindi determinare l'identità chimica delle specie campionate utilizzando uno spettrometro di massa a tempo di volo costruito su misura con fotoionizzazione ultravioletta sotto vuoto.

Successivamente, la concentrazione di queste specie viene determinata in funzione della distanza dal bruciatore. Il passo finale consiste nell'utilizzare un approccio simile per studiare la composizione chimica della combustione generata, quindi le particelle, che sono i risultati dei processi di formazione della fase gassosa. Infine, spettrometria di massa a campionamento di fiamma con ultravioletto sotto vuoto.

La fotoionizzazione viene utilizzata per dimostrare che i radicali stabilizzanti per risonanza sono intermedi importanti e che un semplice meccanismo non può spiegare tutti i componenti della fuliggine osservati. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sui processi di combustione, può anche essere utilizzato per studiare la chimica atmosferica, la dinamica molecolare e la cinetica, tra le altre cose. Innanzitutto, stabilire un flusso di un litro al minuto di Argonne e un flusso di ossigeno di 1,5 litri al minuto attraverso la superficie del bruciatore e mantenere una pressione di 80 millibar nella camera di fiamma.

Posizionare l'accenditore a filo caldo sulla superficie del bruciatore. Quindi impostare il flusso di idrogeno a 0,4 litri al minuto e attivare rapidamente l'accenditore dopo l'accensione. Spegnere l'accenditore a filo caldo e riposizionarlo lontano dal bruciatore.

Successivamente, stabilisci i flussi desiderati di ossigeno, idrogeno e carburante Argonne. Regolare la pressione in modo che corrisponda alle condizioni della fiamma target, che in genere è compresa tra 20 e 40 millibar quando la pressione nella camera di ionizzazione è inferiore o uguale a 10 a meno sei millibar. Applicare le tensioni all'ottica ionica dello spettrometro di massa a tempo di volo e del rivelatore a piastre a microcanali e aprire le valvole della linea di luce.

Avviare l'interfaccia generale del programma di acquisizione dati lab view vi e spostare il bruciatore nella posizione desiderata utilizzando la scheda motore nel software. Successivamente, utilizzare la scheda generale per definire i parametri di scansione o il numero di passi per elettronvolt di energia fotonica. Successivamente, utilizzare la scheda A LS per impostare l'energia del fotone al valore iniziale desiderato e definire l'energia a LS da attivare nella scheda P 78 86.

Utilizzare il pulsante di impostazione dei parametri per impostare il numero di spazzamenti, il numero di contenitori e la larghezza del contenitore. Quindi immettere un percorso e un nome validi e fare clic su Avvia per avviare il processo di acquisizione dei dati di controllo del computer. Per l'acquisizione delle scansioni del bruciatore, applicare le tensioni come per le scansioni di energia all'ottica ionica dello spettrometro di massa a tempo di volo e del rivelatore a piastre a microcanali.

Aprire le valvole della linea di luce per consentire il fascio di fotoni nella camera. Dopo aver aperto l'interfaccia generale del programma di acquisizione dati LabVIEW vi, utilizzare il jogger sotto la linguetta del motore per spostare la superficie del bruciatore il più vicino possibile al cono di campionamento e definire tale posizione come origine. Quindi definire il motore in modo che sia attivo.

Utilizzare la scheda generale per definire i parametri di scansione o il numero di passi per millimetro di movimento del bruciatore. Quindi, utilizzare la scheda LS per impostare l'energia del fotone al valore desiderato, che in genere è compreso tra otto e 16,65 bulloni di elettroni sulla scheda P 78 86. Utilizzare il pulsante di impostazione dei parametri per avviare uno strumento sub virtuale per impostare il numero di scansioni o il numero di spettri di massa aggiunti uno sopra l'altro ad ogni posizione del bruciatore, il numero di contenitori e la larghezza del contenitore.

Successivamente, fornire un percorso e un nome validi del file e fare clic su Avvia per iniziare il processo di acquisizione automatica dei dati Vengono utilizzati RAA per l'esperimento di aerosol con fiamme a flusso contrapposto. Per iniziare riempire la camera di fiamma con argon e portare la pressione fino a circa 860 millibar. Giocare la bobina dell'accenditore approssimativamente al centro delle due uscite del bruciatore.

Impostare il flusso dell'ossidante su 0,3 litri al minuto per l'ossigeno e 1,6 litri al minuto per l'argon e il flusso dell'ossidante su 2,5 litri al minuto per l'argon. Quindi impostare il flusso di carburante a 0,3 litri al minuto per l'idrogeno e 2,5 litri al minuto per l'argon e il flusso di carburante a 2,5 litri al minuto. Per l'argon, aprire le valvole dell'idrogeno e dell'ossigeno e accendere immediatamente la bobina di accensione.

Una volta accesa la fiamma, spegnere la bobina di accensione e ritrarla. A questo punto, stabilisci i flussi desiderati di ossigeno, argon e carburante. Chiudere il flusso di idrogeno e impostare la pressione e la separazione dell'uscita del reagente sui valori desiderati.

Per la fiamma bersaglio. Applicare le tensioni appropriate all'ottica ionica e al rivelatore dello spettrometro di massa per aerosol. Quindi aprire l'interfaccia generale del programma di acquisizione dati lab view flusso opposto vi.

Utilizzare l'applicazione jogger sulla linguetta del motore per traslare il bruciatore a flusso opposto in modo che il microbo di quarzo si trovi nella posizione più vicina all'uscita del flusso di carburante. In questa posizione, azzerare la posizione del passo del motore. A seguito di ciò.

Aprire lentamente la valvola a sfera a un quarto di giro consentendo il flusso dalla linea di campionamento della fiamma alla lente aerodinamica o a un sistema DL. Verificare che la pressione all'uscita dell'A DL sia vicina a una volta 10 rispetto ai due millibar negativi. Utilizzare la scheda generale per definire i parametri di scansione o il numero di passi per millimetro di movimento del bruciatore o l'energia dei fotoni.

Utilizzare la scheda LS per impostare l'energia fotonica desiderata e utilizzare la linguetta del motore per spostare il bruciatore nella posizione desiderata. Quindi, utilizzare la scheda P 78 86 e il pulsante di impostazione dei parametri in essa contenuto. Per impostare i parametri di acquisizione, definire il motore o un'energia LS da attivare.

Inserire un percorso e un nome validi nei campi appropriati e fare clic su Avvia per acquisire gli spettri di massa dell'aerosol. Qui viene mostrato un tipico spettro di massa dei gas campionati a fiamma dal bruciatore premiscelato a bassa pressione. Le identità delle specie che contribuiscono al segnale sono rivelate dall'efficienza di fotoionizzazione campionata a fiamma o dalle curve PIE per ciascun rapporto di carica master e dal loro confronto con le energie di ionizzazione specifiche degli isomeri e le curve PIE note.

Di seguito sono riportati esempi tipici di curve PIE campionate a fiamma. Per il rapporto di carica master è pari a 39 e 41. I dati sono presi da una fiamma di propano metrica stoia.

Il segnale è identificato in modo inequivocabile dalle loro caratteristiche soglie di ionizzazione per originare dai radicali ariali e allelici stabilizzati. Per molti valori del rapporto di carica master, più isomeri vengono identificati di routine osservando più soglie. Molti esempi sono stati ampiamente discussi in letteratura.

Ad esempio, il rapporto di carica principale è pari a 40 per alene e propano, 44 per etanolo e acetaldeide 54 per uno, tre butadiene, un butano e due butano o 78 per fulina e benzene. Una volta nota la composizione degli isomeri, gli spettri di massa vengono presi a varie energie di fotoni e da diverse posizioni nella fiamma per consentire la determinazione dei profili di frazione molare specifici degli isomeri delle singole specie. In funzione della distanza dalla superficie del bruciatore, qui sono mostrati i profili rappresentativi della frazione molare di fulina e benzene in una fiamma geometrica di propano STO dal bruciatore premiscelato a bassa pressione.

Per ogni fiamma, in genere vengono determinati da 40 a 50 profili di frazione molare individuali per specie che vanno dal rapporto di carica master uguale a uno al rapporto di carica master uguale a 78 o anche superiore a seconda degli obiettivi scientifici. Questi profili di frazione molare vengono quindi utilizzati per valutare le capacità predittive dei modelli di chimica della combustione e per convalidarli. Qui viene mostrato un tipico spettro di massa dell'aerosol, preso dall'interno di un segnale di ioni di fiamma a diffusione a flusso opposto di propano per specie con rapporti di carica master che vanno da 150 a 600 con un picco intorno a 202.

E' al di là delle attuali capacità sperimentali identificare tutte le specie osservate nello spettro di massa o svelare la loro possibile formazione. Un esempio rappresentativo è mostrato qui per il rapporto di carica di massa uguale a 256. Profili simili possono essere ottenuti anche per qualsiasi altra specie, che di conseguenza potrebbe essere utilizzata come bersaglio di convalida per qualsiasi modello di chimica della combustione.

Una volta padroneggiata, un operatore esperto può utilizzare questa tecnica per registrare una serie completa di dati di fiamma in poche ore.