Eksperymenty z płomieniem w zaawansowanym źródle światła: nowe spojrzenie na procesy tworzenia sadzy

Ogólnym celem tej procedury jest analiza składu chemicznego płomieni węglowodorowych na skalę laboratoryjną, aby uzyskać szczegółowe zrozumienie takiego powstawania w środowiskach spalania. Osiąga się to poprzez najpierw ustawienie stabilizowanych palnikiem wstępnie zmieszanych płomieni pod zmniejszonym ciśnieniem około 20 do 80 milibarów. Drugim krokiem jest wycofanie gazów z tych płomieni, a następnie określenie tożsamości chemicznej pobranych próbek za pomocą specjalnie zbudowanego spektrometru masowego czasu przelotu z próżniową fotojonizacją w ultrafiolecie.

Następnie stężenie tych gatunków określa się w funkcji odległości od palnika. Ostatnim krokiem jest zastosowanie podobnego podejścia do badania składu chemicznego powstających w procesie spalania, a więc cząstek, które są wynikiem procesów tworzenia się fazy gazowej. Ostatecznie spektrometria mas z próbkowaniem płomieniowym z próżniowym ultrafioletem.

Fotojonizacja służy do pokazania, że rodniki stabilizujące rezonans są ważnymi produktami pośrednimi i że jeden prosty mechanizm nie może wyjaśnić wszystkich obserwowanych składników sadzy. Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w procesy spalania, może być również wykorzystywana między innymi do badania chemii atmosfery, dynamiki molekularnej i kinetyki. Najpierw ustal przepływ jednego litra na minutę argonu i 1,5 litra na minutę przepływu tlenu przez powierzchnię palnika i utrzymuj ciśnienie 80 milibarów w komorze płomieniowej.

Umieść zapalarkę z gorącym drutem nad powierzchnią palnika. Następnie ustaw przepływ wodoru na 0,4 litra na minutę i szybko aktywuj zapalarkę po zapłonie. Wyłącz zapalarkę z gorącym drutem i umieść ją z dala od palnika.

Następnie ustal pożądane przepływy tlenu, wodoru i paliwa Argonne. Dostosuj ciśnienie do warunków docelowego płomienia, które zwykle wynosi od 20 do 40 milibarów, gdy ciśnienie w komorze jonizacyjnej jest mniejsze lub równe 10 do minus sześciu milibarów. Przyłóż napięcia do optyki jonowej spektrometru masowego czasu przelotu i detektora płytek mikrokanałowych, a następnie otwórz zawory linii badawczej.

Uruchom lab view program do akwizycji danych ogólny interfejs vi i przesuń palnik do żądanej pozycji za pomocą zakładki silnik w oprogramowaniu. Następnie użyj zakładki Ogólne, aby zdefiniować parametry skanowania lub liczbę kroków na elektronowolt energii fotonu. Następnie użyj zakładki A LS, aby ustawić energię fotonu na żądaną wartość początkową i zdefiniuj energię LS jako aktywną na karcie P 78 86.

Użyj przycisku Ustaw parametry, aby ustawić liczbę zamiatania, liczbę pojemników i szerokość pojemnika. Następnie wprowadź prawidłową ścieżkę i nazwę pliku, a następnie kliknij start, aby rozpocząć proces akwizycji danych sterowania komputerem. W celu uzyskania skanów palnika należy przyłożyć napięcia jak do skanów energetycznych do optyki jonowej spektrometru masowego czasu lotu i detektora płytek mikrokanałowych.

Otwórz zawory linii badawczej, aby umożliwić wiązkę fotonów w komorze. Po otwarciu ogólnego interfejsu programu do akwizycji danych LabVIEW vi, użyj suwaka pod zakładką silnika, aby przesunąć powierzchnię palnika jak najbliżej stożka pobierania próbek i zdefiniować tę pozycję jako początek układu współrzędnych. Następnie zdefiniuj silnik, który ma być aktywny.

Użyj zakładki Ogólne, aby zdefiniować parametry skanowania lub liczbę kroków na milimetr ruchu palnika. Następnie użyj zakładki LS, aby ustawić energię fotonu na żądaną wartość, która zwykle wynosi od ośmiu do 16,65 elektronowych na karcie P 78 86. Użyj przycisku ustawiania parametrów, aby uruchomić podrzędny instrument wirtualny, aby ustawić liczbę przeciągnięć lub liczbę widm masowych dodawanych jedno na drugim w każdej pozycji palnika, liczbę pojemników i szerokość pojemnika.

Następnie podaj prawidłową ścieżkę i nazwę pliku, a następnie kliknij start, aby rozpocząć automatyczny proces pozyskiwania danych, RAA dla eksperymentu aerozolowego, w którym używane są płomienie o przeciwnym przepływie. Na początek napełnij komorę płomieniową argonem i podnieś ciśnienie do około 860 milibarów. Odtwórz cewkę zapalnika mniej więcej pośrodku dwóch wylotów palnika.

Ustaw strumień utleniacza na 0,3 litra na minutę dla tlenu i 1,6 litra na minutę dla argonu, a przepływ strumienia utleniacza na 2,5 litra na minutę dla argonu. Następnie ustaw strumień paliwa na 0,3 litra na minutę dla wodoru i 2,5 litra na minutę dla argonu, a przepływ strumienia paliwa na 2,5 litra na minutę. W przypadku argonu otwórz zawory wodoru i tlenu i natychmiast włącz cewkę zapalnika.

Po zapaleniu płomienia wyłącz cewkę zapalarki i wsuń ją. W tym momencie ustal żądane przepływy tlenu, argonu i paliwa. Wyłącz przepływ wodoru i ustaw separację ciśnienia i wylotu reagenta na żądane wartości.

Dla docelowego płomienia. Przyłożyć odpowiednie napięcia do optyki jonowej i detektora spektrometru masowego aerozolu. Następnie otwórz ogólny interfejs programu do akwizycji danych w widoku laboratoryjnym przeciwny przepływ vi.

Użyj aplikacji jogger na zaczepie silnika, aby przesunąć palnik o przeciwnym przepływie tak, aby mikrob kwarcowy znalazł się w pozycji najbliższej wylotu strumienia paliwa. W tej pozycji zresetuj pozycję kroku silnika do zera. Podążając za tym.

Powoli otwórz ćwierćobrotowy zawór kulowy, umożliwiając przepływ z przewodu do pobierania próbek płomienia do soczewki aerodynamicznej lub systemu DL. Upewnij się, że ciśnienie na wylocie A DL jest bliskie 1 razy 10 do minus dwóch milibarów. Zakładka Ogólne służy do definiowania parametrów skanowania lub liczby kroków na milimetr ruchu palnika lub energii fotonów.

Użyj zakładki LS, aby ustawić żądaną energię fotonów i użyj zakładki silnika, aby przesunąć palnik do żądanej pozycji palnika. Następnie należy skorzystać z zakładki P 78 86 i znajdującego się w niej przycisku ustawiania parametrów. Aby ustawić parametry akwizycji, zdefiniuj energię silnika lub LS, która ma być aktywna.

Wstaw prawidłową ścieżkę i nazwę pliku w odpowiednich polach i kliknij start, aby uzyskać widma masowe aerozolu. Przedstawiono tutaj typowe widmo masowe gazów pobieranych z płomienia z niskociśnieniowego palnika z mieszaniem wstępnym. Tożsamość gatunków przyczyniających się do sygnału ujawnia się za pomocą próbek płomienia o wydajności fotojonizacji lub krzywych PIE dla każdego współczynnika ładunku głównego i ich porównania ze znanymi energiami jonizacji specyficznymi dla izomerów i krzywymi PIE.

Typowe przykłady krzywych PIE z próbkowaniem płomieniowym przedstawiono tutaj. Dla głównego współczynnika ładowania wynosi 39 i 41. Dane pochodzą z metrycznego płomienia propanu stoia.

Sygnał jest jednoznacznie identyfikowany na podstawie charakterystycznych progów jonizacji, które pochodzą od stabilizowanych rodników arial i alleli. W przypadku wielu wartości współczynnika ładunku głównego rutynowo identyfikuje się wiele izomerów poprzez obserwację wielu progów. Wiele przykładów zostało obszernie omówionych w literaturze.

Na przykład stosunek głównego ładunku wynosi 40 dla alenu i propanu, 44 dla etanolu i aldehydu octowego, 54 dla jednego, trzech butadienów, jednego butanu i dwóch butanów lub 78 dla fuliny i benzenu. Gdy skład izomerów jest znany, widma masowe są pobierane przy różnych energiach fotonów i z różnych pozycji w płomieniu, aby umożliwić określenie specyficznych dla izomerów profili frakcji molowych poszczególnych gatunków. W funkcji odległości od powierzchni palnika pokazano tutaj reprezentatywne profile frakcji molowej fuliny i benzenu w geometrycznym płomieniu propanowym STO z niskociśnieniowego palnika z mieszaniem wstępnym.

Dla każdego płomienia zazwyczaj określa się łącznie od 40 do 50 indywidualnych profili frakcji molowych dla gatunków, od stosunku ładunku głównego równego jeden do stosunku ładunku głównego równego 78 lub nawet wyższego, w zależności od celów naukowych. Te profile frakcji molowych są następnie wykorzystywane do oceny zdolności predykcyjnych modeli chemicznych spalania i ich walidacji. Pokazano tutaj typowe widmo masowe aerozolu, pobrane z wnętrza sygnału dyfuzyjnego jonów płomieniowych o przeciwstawnym przepływie propanu zaobserwowano dla gatunków o współczynnikach ładunku głównego w zakresie od 150 do 600 ze szczytem około 202.

Identyfikacja wszystkich gatunków obserwowanych w widmie masowym lub rozwikłanie ich możliwego powstawania wykracza poza obecne możliwości eksperymentalne. Reprezentatywny przykład jest pokazany tutaj dla stosunku ładunku masy równego 256. Podobne profile można uzyskać również dla każdego z pozostałych gatunków, które w związku z tym mogą być wykorzystane jako cele walidacji dla dowolnego modelu chemii spalania.

Po opanowaniu, doświadczony operator może użyć tej techniki do zarejestrowania pełnego zestawu danych dotyczących płomienia w ciągu zaledwie kilku godzin.