Summary
Il gas prelevato da fiamme scala di laboratorio con l'analisi on-line di tutte le specie di spettrometria di massa è un potente metodo per indagare la complessa miscela di composti chimici che si verificano durante i processi di combustione. Accoppiato con sintonizzabile ionizzazione morbida con radiazione di sincrotrone vuoto ultravioletta generata, questa tecnica fornisce informazioni isomero risolta e potenzialmente privo di frammento spettri di massa.
Abstract
I seguenti protocolli sperimentali e video allegato sono interessati con gli esperimenti di fiamma che vengono eseguite presso la Dinamica chimici Beamline della Advanced Light Source (ALS) del Lawrence Berkeley National Laboratory 1-4. Questo video dimostra come le strutture chimiche complesse di modello in laboratorio fiamme sono analizzati mediante spettrometria di massa-campionamento fiamma sintonizzabile sincrotrone generati vuoto ultravioletti (VUV) radiazioni. Questo approccio sperimentale combina funzionalità di isomeri risoluzione ad alta sensibilità e un ampio range dinamico 5,6. La prima parte del video descrive esperimenti che coinvolgono bruciatore stabilizzato, a bassa pressione (20-80 mbar) premiscelate laminari fiamme. Un piccolo fuoco di idrocarburi è stata utilizzata per la fiamma selezionato mostrare l'approccio sperimentale generale. Si è mostrato come i profili delle specie sono acquisite in funzione della distanza dalla superficie del bruciatore e come la modulabilità del VUVenergia fotonica viene utilizzato vantaggiosamente per identificare numerosi intermedi di combustione in base alle loro energie di ionizzazione. Ad esempio, questa tecnica è stata utilizzata per studiare aspetti fase gassosa dei processi di formazione di fuliggine, e il video mostra come i radicali risonanza stabilizzato, ad esempio C 3 H 3, C 3 H 5 e i-C 4 H 5, sono identificati come importanti intermedi 7. L'opera è stata focalizzata su processi di formazione fuliggine, e, dal punto di vista chimico, questo processo è molto interessante perché strutture chimiche contenenti milioni di atomi di carbonio sono costituiti da una molecola di carburante che possiede solo pochi atomi di carbonio in pochi millisecondi. La seconda parte del video evidenzia un nuovo esperimento, in cui una fiamma a diffusione opposta flusso e spettrometria di massa aerosol a base di sincrotrone sono usati per studiare la composizione chimica della combustione generati particelle di fuliggine 4. I risultati sperimentali indicano tcappello meccanismo ampiamente accettata H-astrazione-C 2 H 2-addizione (HACA) non è l'unico processo di crescita molecolare responsabile della formazione dei grandi idrocarburi aromatici policiclici (PAH) osservati.
Introduction
Creazione di un meccanismo coerente e predittiva per i processi di crescita molecolare e formazione di fuliggine è una delle più grandi sfide nella combustione chimica di ricerca 8,9. I processi di combustione rappresentano oltre la metà della sanzione atmosferico di particelle (PM 2,5 - particelle fini definiti da un diametro aerodinamico ≤ 2,5 micron), e, per ridurre le emissioni di questi sottoprodotti della combustione indesiderati, è importante conoscere le loro identità, le concentrazioni , e la formazione Percorsi di 10. La natura dei sottoprodotti della combustione è influenzata dal carburante e le condizioni in cui viene bruciato. Molti studi hanno collegato le emissioni di combustione agli effetti sull'ambiente e sulla salute acuti 11-13. Ad esempio, le particelle di combustione generati hanno una forte influenza sulla qualità dell'aria, la visibilità atmosferica, e l'equilibrio radiativo dell'atmosfera terrestre. Si presume che la composizione chimica del pettine airborneparticelle USTIONE generata determina la loro tossicità, che è comunemente associato con gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA). Quest'ultima specie sono considerati i precursori molecolari di fuliggine, e sono formati in processi di combustione incompleta. Anche in questo caso, per identificare questi processi è ancora un problema difficile.
In generale, le reazioni di combustione, che sono all'origine di tali emissioni, seguono complicata decomposizione carburante e percorsi di ossidazione, che coinvolgono più specie reattive. Essi sono collegati all'interno di una rete di centinaia o addirittura migliaia di reazioni i cui tassi dipendono dalla temperatura e pressione 14,15.
Laminar, premiscelata, fiamme piatto bruciatore-stabilizzati, che possono essere stabilite a pressioni a partire da 20-80 mbar (15-60 Torr), rappresentano uno degli ambienti di combustione standard comunemente utilizzato per svelare questa rete chimica complessa e di indagare l'inquinante potenziale di unY dato carburante prototipo 16. In questa configurazione, il combustibile e l'ossidante sono già miscelati quando raggiungono il fronte di fiamma; Pertanto, il tasso di combustione è dominato da processi chimici e non mescolando. Operando queste fiamme ad una pressione sub-atmosferica, ossia lo spessore della regione di reazione viene aumentata, consentendo una migliore risoluzione spaziale di temperatura e di concentrazione con gradienti a laser o sonda di campionamento tecniche 1,17.
Per analizzare precisamente la composizione chimica di tali fiamme, è necessario uno strumento analitico che fornisce rilevamento universale di tutte le specie contemporaneamente, elevata sensibilità e gamma dinamica, buona selettività tra isomeri, e controllo di frammentazione molecolare. Un passo avanti nella ricerca combustione chimica è stata ottenuta con l'uso di spettrometria di massa-sampling fiamma a sorgenti di luce di sincrotrone dove sintonizzabile vuoto ultravioletta (VUV) radiazione viene usato per quasi threShold singolo fotone di ionizzazione 5,6. Negli esperimenti di fiamma del Advanced Light Source (ALS) del Lawrence Berkeley National Laboratory, che vengono mostrati nel video che accompagna, campioni di gas vengono ritirati dal di dentro le fiamme premiscelate da un cono di quarzo, ampliato in alto vuoto e ionizzati da VUV Fotoni 1,5. Il set-up sperimentale è mostrato schematicamente in figura 1. La chiave del successo di questo esperimento è stata la possibilità di regolare l'energia dei fotoni ionizzanti in una gamma appropriata per ridurre al minimo o addirittura evitare photofragmentation e consentire specificità isomero 1,3 , 5,18. Come mostrato nel video, efficienza fotoionizzazione (PIE) curve possono essere registrati sintonizzando l'energia del fotone 19, che ci permettono di individuare specifiche specie isomeri nella miscela fiamma complicato. Le curve PIE per singole specie, generalmente hanno caratteristiche distinte, vale a dire, le soglie di ionizzazione, forme e intensità. Il video di unLSO mostra l'approccio sperimentale utilizzato per determinare profili mole-frazione dei singoli componenti in funzione della distanza dalla superficie del bruciatore.
Questi esperimenti di combustione a base di SLA sono stati focalizzati sui processi di fuliggine formazione in fiamme di idrocarburi e l'ossidazione di ossigenati, di nuova generazione, bio-combustibili derivati 1,20. Per quanto riguarda il problema di fuliggine formazione, gli esperimenti hanno rivelato molte nuove intuizioni. In sintesi, è ormai capito che la struttura chimica del combustibile influenza l'identità (e la quantità) delle molecole precursori e che, di conseguenza molti percorsi diversi possono contribuire alla prima fase del processo di fuliggine formazione complessiva 7,21.
Anche più profonde intuizioni sulla chimica fuliggine formazione sono stati ottenuti quando l'identificazione dei componenti chimici di fiamma generata da nanoparticelle di fuliggine con uno spettrometro di massa aerosol a base di SLA. In questo nuovo esperimento, che è explained nella seconda metà del video, vengono utilizzati non premiscelata (diffusione) fiamme. L'apparato sperimentale è anche mostrato in Figura 1. In questa configurazione, una fiamma è stabilito a pressione pressoché atmosferica [933 mbar (700 Torr)] tra due getti laminari opposti di combustibile e comburente. Perché flusso di combustibile e ossidante rimangono separati al di fuori della zona di reazione, questa configurazione offre una buona occasione per esaminare i processi di crescita molecolari. Particelle Fiamma generati vengono ritirate dalla fiamma utilizzando un microsonda quarzo e successivamente concentrati con un sistema di lenti aerodinamico su un bersaglio di rame riscaldati, dove le particelle lampeggiano vaporizza e si rompono nei loro singoli costituenti. Tali componenti molecolari vengono ionizzati dai fotoni VUV dal ALS, e gli ioni corrispondenti sono selezionati massa 4. Non tutto il lavoro necessario può essere mostrato nel video, ma i dati di aerosol suggeriscono che i meccanismi di fuliggine di formazione potrebbero essere kineticall y e non controllato termodinamicamente. Inoltre, i dati indicano anche che la ampiamente accettata H-astrazione-C 2 H 2-addizione (HACA) meccanismo, in cui le piccole specie aromatiche crescono gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA grandi) da una sequenza ripetitiva di H-astrazione e C 2 H reazioni di 2-addizione, non possono spiegare tutti i componenti delle particelle osservate.
In combinazione con il video, il seguente protocollo illustra le procedure di acquisizione dati.
Figura 1. Schema del fascio molecolare campionamento fiamma e aerosol esperimenti di spettrometria di massa presso l'Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory. Con le autorizzazioni da Refs. 2 e 4.9fig1highres.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Protocol
1. Esperimenti in fase gas
- Accensione della bassa pressione premiscelati Fiamma
- Assicurarsi che l'acqua di raffreddamento scorre attraverso la parete del bruciatore e della camera di fiamma e che la camera di fiamma viene pompato fino a ~ 0,1 mbar.
- Stabilire una 1 L / min flusso di argon e un 1,5 L / min flusso di ossigeno attraverso il combustore e mantenere una pressione di 80 mbar (60 Torr) nella camera di fiamma.
- Posizionare l'accenditore filo caldo sulla superficie del bruciatore; impostare il flusso di idrogeno a 0,4 L / min, e rapidamente attivare l'accenditore.
- Dopo l'accensione, spegnere l'accenditore a filo caldo, e riposizionarlo lontano dal bruciatore.
- Stabilire i flussi desiderati di argon, ossigeno, idrogeno e combustibile. Regolare la pressione in base alle condizioni della fiamma obiettivo [di solito 20-40 mbar (15-30 Torr)]. Nota: Le condizioni di fiamma per singoli fiamme sono ottenute in letteratura originale. Ad esempio, i flussi per il allene stechiometrica e propino fiamme sonoelencati Hansen et al 22.
- Acquisizione di Fotoionizzazione Efficiency (PIE) Curve - Scan Energy
- Quando la pressione nella camera di ionizzazione è ≤ 10 -6 mbar, applicare le tensioni ai ottica ionica dello spettrometro di massa a tempo di volo più rivelatore placca a microcanali e aprire le valvole di linea di luce. Nota: gli esperimenti di calibrazione precedenti (non mostrate nel video) sono stati usati per trovare le impostazioni di tensione per ottenere prestazioni ottimali dello spettrometro di massa.
- Avviare il programma di acquisizione dati Labview "Generale Interface.vi" (Figura 2) e spostare il bruciatore nella posizione desiderata utilizzando la scheda "motore" nel software. Nota: Questo codice LabVIEW è stata sviluppata presso la linea di luce ed è disponibile su richiesta.
- Utilizzare la scheda "Generale" per definire i parametri di scansione, cioè il numero di passi al eV di energia fotonica. Tipicamente, un passo di 0,05 eV èutilizzato.
- Utilizzare la scheda "ALS" per impostare l'energia del fotone al valore iniziale desiderato, e definire la "ALS Energy" essere "attivo".
- Nel pannello "Control", attivare "K6485" per leggere la fotocorrente misurata dal fotodiodo.
- Sulla scheda "P7886", utilizzare il pulsante "Imposta parametri" per impostare il numero di scansioni (normalmente tra 2 19 e 2, 21), il numero di contenitori (normalmente 48k), e la larghezza bin (500 psec).
- Immettere un percorso e un nome di file valido, e fare clic su "Start" per avviare il processo di acquisizione dati controllati dal computer.
- Acquisizione di Mass Spectra - Burner Scan
- Applicare le tensioni come per le scansioni di energia ai ottica ionica dello spettrometro di massa a tempo di volo e rilevatore di placca a microcanali.
- Aprire le valvole linea di luce per consentire il fascio di fotoni nella camera.
- Aprire i dati acq Labviewprogramma uisition "Generale Interface.vi".
- Utilizzando la scheda "motore" nel software, usi "Jogger" per spostare la superficie del bruciatore il più vicino possibile al cono di campionamento, e definire tale posizione come "origine". Definire il motore di essere "attivo".
- Utilizzare per scheda "Generale" per definire i parametri di scansione, cioè, il numero di passi per mm di movimento bruciatore. I valori tipici sono 0-5 mm in 20 passi, 5-20 mm in 15 passi, e 20-30 mm in 5 passi.
- Utilizzare la scheda "ALS" per impostare l'energia del fotone al valore desiderato. I valori tipici sono 8-16,65 eV.
- Nel pannello "Control", attivare "K6485" per leggere la fotocorrente misurata dal fotodiodo.
- Sulla scheda "P7886", utilizzare il pulsante "Imposta parametri" per avviare un sub-VI (Figura 3) per impostare il numero di sweep, cioè il numero di massa spettri Added uno sopra l'altro in ogni posizione del bruciatore (normalmente tra 2 e 19 2 21), il numero di contenitori (normalmente 48k), e la larghezza bin (500 psec).
- Fornire un percorso e un nome di file valido, e fare clic su "Start" per avviare il processo di acquisizione automatica dei dati.
Figura 2. Interfaccia utente grafica del programma di acquisizione dati. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Graphical user interface di parametri di ingresso multicanale scaler. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
2. Esperimenti aerosol
- Accensione della pressione atmosferica Near-Fiamma Opposto-flow
- Assicurarsi che l'acqua di raffreddamento scorre attraverso il bruciatore, che le prese reagenti sono ca. 10 millimetri a parte, e che la camera di fiamma viene pompato alla pressione ottenibile minima (~ 2 mbar).
- Riempire la camera con argon fiamma e portare la pressione fino a circa 860 mbar (650 Torr).
- Posizionare la bobina di accensione ca. al centro delle due uscite bruciatore.
- Impostare i flussi di gas come segue (Ar dovrebbe essere già scorre perché è stato usato per riempire camera): Oxidizer stream: O 2 0.3 L / min e Ar 1.6 L / min; Flusso di ossidante coflow: Ar 2.5 L / min; Flusso di carburante: H 2 0.3 L / min, Ar 2.5 L / min; Flusso di carburante coflow: Ar2.5 L / min.
- Aprire le valvole di idrogeno e ossigeno, e passare immediatamente a bobina di accensione.
- Una volta che la fiamma si accende, spegnere la bobina di accensione, e ritirarlo.
- Stabilire i flussi desiderati di ossigeno, argon, e carburante. Spegnere il flusso di idrogeno, e la pressione impostata e separazione presa reagente ai valori desiderati per fiamma bersaglio. Nota: Le portate per la fiamma propano, che è mostrato nel video, sono ottenute in Skeen et al 4.
- Acquisizione di un aerosol Spettro di massa
- Applicare le tensioni necessarie per l'ottica di ioni e rivelatore di AMS. Nota: Le impostazioni di tensione per una prestazione ottimale sono stati trovati in esperimenti di calibrazione precedenti, che non vengono mostrati nel video.
- Aprire il programma di acquisizione dati Labview "General Interface-Opposto-Flow.vi". Nota: Questo VI è una modifica del "General Interface.vi", in cui il controllo del motore è stato aggiornato allasoddisfare le nuove esigenze.
- Utilizzare l'applicazione "Jogger" nella scheda "motore" per tradurre il bruciatore opposta del flusso in modo che la microsonda quarzo è nella posizione più vicina alla presa di corrente di combustibile (Figura 4). Mentre in questa posizione, ripristinare la posizione del passo del motore a zero. Questa procedura definisce la posizione di "origine".
- Aprire lentamente la valvola a sfera quarto di giro che consente il flusso dalla linea di fiamma di campionamento nel sistema (ADL) Lenti aerodinamico. Verificare che la pressione all'uscita della ADL è vicino a 1 x 10 2 mbar.
- Utilizzare la scheda "Generale" per definire i parametri di scansione, cioè il numero di passi per mm di movimento bruciatore (scan bruciatore) o l'energia del fotone (scansione energia).
- Utilizzare la scheda "ALS" per impostare l'energia del fotone desiderato e utilizzare la scheda "Motor" per spostare il bruciatore alla posizione del bruciatore desiderata.
- Utilizzare la scheda "P7886" e "Set Parametri pulsante "ivi per impostare i parametri di acquisizione.
- Definire "Motore" (scan bruciatore) o "ALS Energy" (scan energia) di essere "attivo".
- Inserire un percorso e un nome di file valido nei campi appropriati e fare clic su "Start". Spettri di massa di aerosol sono ora presi automaticamente.
Figura 4. Interfaccia utente grafica per il movimento del bruciatore per l'assemblaggio di fiamma opposto-flow. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Representative Results
Un tipico spettro di massa del gas nel campione di fiamma dal bruciatore premiscelato a bassa pressione è mostrato in Figura 5. L'identità delle specie che contribuiscono al segnale sono rivelate dalla efficienza nel campione fiamma fotoionizzazione (PIE) curve per ciascuna massa-to- carica (m / z) il rapporto e il loro confronto con noti energie di ionizzazione specifica-isomero e le curve di Torta. Tipici esempi di curve Pie-campionata fiamma sono mostrati in Figura 6 per m / z = 39 (C 3 H 3) e 41 (C 3 H 5). I dati sono tratti da una propino fiamma stechiometrica 22. Il segnale è inequivocabilmente identificata da loro caratteristici soglie di ionizzazione provenire dai radicali propargile e allile risonante stabilizzati. Per molti valori m / z, più isomeri sono regolarmente identificati osservando più soglie. Molti esempi sono stati ampiamente discussi in letteratura, per esempio, m / z= 40 (allene e propino), 44 (ethenol e acetaldeide), 54 (1,3-butadiene, 1-butino, e 2-butino), o 78 (fulvene e benzene) 23-27.
Figura 5. Spettro di massa a tempo di volo. Registrato con i fotoni di 9,9 eV a 1,25 millimetri di distanza dal bruciatore premiscelato a bassa pressione in un stechiometrico propino-O 2 fiamme. Tutti i picchi possono essere facilmente assegnati ai vari intermedi di combustione come descritto nel passaggio successivo.
Figura 6. Flame nel campione curve di efficienza fotoionizzazione per m / z = 39 e 41. I radicali risonante stabilizzati propargile ellyl può essere identificato in modo univoco in base alle soglie di ionizzazione osservati.
Una volta che la composizione isomerica è noto, spettri di massa sono prelevati in vari energie dei fotoni e dall'interno posizioni diverse nella fiamma, come descritto sopra nella sezione protocollo, per consentire la determinazione dei profili frazione molare specifico isomero delle singole specie come funzione della distanza dalla superficie del bruciatore. Rappresentativi profili mole-frazione del fulvene e benzene in una fiamma propino stechiometrico dal bruciatore premiscelato a bassa pressione sono illustrati nella Figura 7 22. Per ogni fiamma, tipicamente un totale di 40 a 50 singoli profili mole-frazioni sono fissati per specie che vanno dal m / z = 1 (atomo di H) per m / z = 78 (benzene e / o fulvene) o addirittura superiore, a seconda degli obiettivi scientifici. Questi profili frazione molare vengono poi utilizzati per valutare le capacità predittive dei modelli di combustione chimica e vli alidate.
Figura 7. Sperimentali profili frazione molare. Profili di fulvene e benzene in una fiamma propino stechiometrico dal bruciatore premiscelato a bassa pressione.
Un tipico spettro di massa aerosol è illustrato nella Figura 8. E 'stata presa all'interno di una fiamma a diffusione propano contrapposti flusso. Ion segnale è stato osservato per le specie con rapporti m / z da 150 a 600, con un picco intorno m / z = 226. E 'al di là delle attuali capacità sperimentali per identificare tutte le specie osservate nello spettro di massa o di svelare le loro possibili percorsi di formazione. Prendendo come spettri di massa in funzione della distanza dalla presa carburante come descritto sopra (e mostrato nel video) fornisce profili spazialmente risolti. Un rappresentantesentante esempio è mostrato nella Figura 8 di ingresso per le specie m / z = 256 (C 20 H 16). Profili simili possono essere ottenuti per qualsiasi altre specie, che pertanto potrebbero essere utilizzati come bersagli di convalida per qualsiasi modello di combustione-chimica.
Figura 8. Flame nel campione aerosol spettro di massa da una fiamma 2 diffusione opposto flusso propano-O. L'ingresso mostra un rappresentante profilo risolta spazialmente per le C 20 H 16 specie a m / z = 256.
Discussion
La combinazione descritta di fiamma campionamento e VUV basato sincrotrone singolo fotone ionizzazione con spettrometria di massa fornisce l'aspetto più dettagliato nella composizione chimica delle fiamme attualmente possibile modello in laboratorio. Lo spettrometro di massa fornisce la rilevazione universale di tutte le specie di fiamma a campionamento simultaneo ad alta sensibilità (ppm) su un'ampia gamma dinamica. Strumentale per il successo di questa tecnica è l'uso di fotoni VUV sincrotrone generati, le cui energie possono essere facilmente sintonizzato, per fornire una buona selettività tra isomeri e controllo di frammentazione. Quest'ultimo fattore è importante quando si analizzano miscele complesse. Le funzionalità di questo esperimento descritto sono ineguagliata mediante gascromatografia, che viene comunemente utilizzato per isomero-separazione, e da tecniche di ionizzazione convenzionali utilizzando elettroni energetici. Limiti della tecnica basata sincrotrone derivano dal fatto che, soprattutto per i rapporti più grandi massa e carica, many differenti isomeri sono concepibili, che quindi non può essere identificato in modo univoco, ei loro contributi non possono essere separate in modo attendibile 1. I risultati sperimentali, sotto forma di composizioni fiamma isomeri risolta, possono produrre migliori modelli cinetici di combustione chimica a livello molecolare particolarmente dettagliata.
Gli esperimenti descritti sono molto complicati e una descrizione delle procedure di risoluzione dei problemi è al di là di ciò che può essere documentate nel video e / o la sezione protocollo di questo manoscritto. Questo fatto vale anche per le procedure di analisi dei dati anche. Le modifiche al set-up sperimentale sono normalmente effettuate off-line tra il "tempo macchina" assegnato. Poiché l'enfasi di questi esperimenti è sulla determinazione quantitativa di intermedi di combustione, è molto importante disporre fiamme stabili e riproducibili. Inoltre, è necessario scegliere con saggezza le energie dei fotoni e degli altri parametri di scansione per ottenere unn adeguato insieme di dati sperimentali che è sufficiente per una determinazione affidabile di struttura fiamma.
Gli esperimenti di fiamma svolte presso l'Advanced Light Source hanno contribuito con successo a svelare la chimica di formazione di benzene in fiamme di idrocarburi 7. È stato stabilito un ruolo prominente di radicali risonanza stabilizzato come precursori, per esempio, con l'identificazione del propargilico, allile, e i-C 4 H 5 radicali.
Poiché la formazione di benzene è pensato per essere solo il primo passo nel processo globale fuliggine formazione, ulteriori sforzi sono in corso presso l'Advanced Light Source per identificare la composizione chimica delle particelle di fuliggine nel campione di fiamma. Rispetto ad analoghi precedenti esperimenti di fuliggine di campionamento di 28, questo esperimento aerosol-campionamento di nuova costituzione permette di registrare vicino alla soglia spettri di massa, il che significa che l'energia del fotone può essere regolato con precisione to solo leggermente sopra energie di ionizzazione di componenti, evitando così la frammentazione. Inoltre, frammentazioni, sono altresì evitati impiegando il processo di vaporizzazione flash sul blocco di rame a temperatura controllata. Tuttavia, l'esperimento è attualmente limitata da non essere in grado di fornire dati quantitativi. Inoltre, gli spettri di massa registrati non sono particelle specifico, ma la media di numerose particelle probabilmente varia in composizione e dimensioni. Inoltre, la condensazione può e si verifica sulla sonda di prelievo, complicando l'identificazione delle specie associate a particelle nella fiamma. Inoltre, le specie rilevate devono essere sufficientemente volatili da vaporizzare alla temperatura del blocco di rame (300-400 ° C) sotto vuoto. Tuttavia, i dati qualitativi precoce suggerisce che le composizioni di fuliggine specie precursori dipendono dalla struttura chimica del combustibile e che i meccanismi di fuliggine precursore di costituzione sono cineticamente spinti anziché thermodynamically. I mass sforzi spettrometria di aerosol sono attualmente nelle fasi iniziali, e le conoscenze acquisite finora identificare più opportunità di ricerca.
I lavori futuri sui processi di formazione di fuliggine è probabile che si concentri sulla chimica oltre il primo anello aromatico, cioè la formazione di indene, naftalene, antracene, ecc, e loro isomeri. L'obiettivo finale è quello di comprendere la chimica (e fisica) della costituzione di particelle, e di sviluppare un modello predittivo che può descrivere l'intero processo di fuliggine formazione (dall'ossidazione carburante alla coagulazione di particelle).
Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Sandia è un laboratorio multi-programma gestito da Sandia Corporation, un Lockheed Martin Company, per la National Nuclear Security Administration sotto contratto DE-AC04-94-AL85000. Il lavoro è stato sostenuto anche dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Ufficio di Scienze di base dell'energia nel quadro del progetto unico Investigator piccolo gruppo di ricerca (Grant No. DE-SC0002619), del Prof. Violi (Università del Michigan, Ann Arbor). KRW è supportato dal Dipartimento di Energia, Office of Science, Early Career Programma di ricerca sotto Department of Energy contratto n DE-AC02-05CH11231 statunitense. L'Advanced Light Source è supportato dal Direttore, Office of Science, Ufficio di Scienze di base dell'energia, del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nell'ambito del contratto n ° DE-AC02-05CH11231. KKH riconosce continuo sostegno di una parte di questa ricerca dalla DFG sotto contratto KO 1363/18-3.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Flame-sampling mass spectrometer | custom-built | ||
| Aerosol mass spectrometer | custom-built |
References
- Hansen, N., Cool, T. A., Westmoreland, P. R., Kohse-Höinghaus, K. Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of combustion chemistry. Progress in Energy and Combustion Science. 35, 168-191 (2009).
- Taatjes, C. A., et al. Imaging" combustion chemistry via multiplexed synchrotron-photoionization mass spectrometry. Physical Chemistry Chemical Physics. 10, (1039).
- Leone, S. R., Ahmed, M., Wilson, K. R. Chemical dynamics, molecular energetics, and kinetics at the synchrotron. Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 6564-6578 (2010).
- Skeen, S. A., et al. Near-threshold photoionization mass spectra of combustion-generated high-molecular-weight soot precursors. Journal of Aerosol Science. 58, 86-102 (2013).
- Cool, T. A., et al. Photoionization mass spectrometer for studies of flame chemistry with a synchrotron light source. Review of Scientific Instruments. 76, (2005).
- Cool, T. A., et al. Selective detection of isomers with photoionization mass spectrometry for studies of hydrocarbon flame chemistry. Journal of Chemical Physics. 119, 8356-8365 (2003).
- Hansen, N., Miller, J. A., Klippenstein, S. J., Westmoreland, P. R., Kohse-Höinghaus, K. Exploring formation pathways of aromatic compounds in laboratory-based model flames of aliphatic fuels. Combustion Explosion and Shock Waves. 48, 508-515 (2012).
- Wang, H. Formation of nascent soot and other condensed-phase materials in flames. Proceedings of the Combustion Institute. 33, 41-67 (2011).
- Bockhorn, H., D'Anna, A., Sarofim, A. F., Wang, H. Combustion generated fine carbonaceous particles. , KIT Scientific Publishing. Karlsruhe. (2009).
- Lewtas, J. Air pollution combustion emissions: Characterization of causative agents and mechanisms associated with cancer, reproductive, and cardiovascular effects. Mutation Research-Reviews in Mutation Research. 636, 95-133 (2007).
- Cohen, A. J. Outdoor air pollution and lung cancer. Environmental Health Perspectives. 108, 743-750 (2000).
- Gaffney, J. S., Marley, N. A. The impacts of combustion emissions on air quality and climate - From coal to biofuels and beyond. Atmos. Environ. 43, 23-36 (2009).
- Lighty, J. S., Veranth, J. M., Sarofim, A. F. Combustion aerosols: Factors governing their size and composition and implications to human health. Journal of the Ai., & Waste Management Association. 50, 1565-1618 (2000).
- Gardiner, W. C. Jr Gas-Phase Combustion Chemistry. , Springer-Verlag. New York, Berlin, Heidelberg. (2000).
- Warnatz, J., Maas, U., Dibble, R. W. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. , 4th edn, Springer. (2006).
- McEnally, C. S., Pfefferle, L. D., Atakan, B., Kohse-Höinghaus, K. Studies of aromatic hydrocarbon formation mechanisms in flames: Progress towards closing the fuel gap. Progress in Energy and Combustion Science. 32, 247-294 (2006).
- Kohse-Höinghaus, K., Barlow, R. S., Alden, M., Wolfrum, E. Combustion at the focus: laser diagnostics and control. Proceedings of the Combustion Institute. 30, 89-123 (2005).
- Qi, F. Combustion chemistry probed by synchrotron VUV photoionization mass spectrometry. Proceedings of the Combustion Institute. 34, 33-63 (2013).
- Golan, A., Ahmed, M. Molecular beam mass spectrometry with tunable vacuum ultraviolet (VUV) synchrotron radiation. Journal of Visualized Experiments. 50164 (68), (2012).
- Kohse-Höinghaus, K., et al. Biofuel combustion chemistry: From ethanol to biodiesel. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 3572-3597 (2010).
- Hansen, N., et al. Fuel-structure dependence of benzene formation processes in premixed flames fueled by C6H12 isomers. Proceedings of the Combustion Institute. 33, 585-592 (2011).
- Hansen, N., et al. Isomer-specific combustion chemistry in allene and propyne flames. Combustion and Flame. 156, 2153-2164 (2009).
- Hansen, N., et al. Initial steps of aromatic ring formation in a laminar premixed fuel-rich cyclopentene flame. Journal of Physical Chemistry A. 111, 4081-4092 (2007).
- Hansen, N., et al. Identification of C5Hx isomers in fuel-rich flames by photoionization mass spectrometry and electronic structure calculations. Journal of Physical Chemistry A. 110, 4376-4388 (2006).
- Hansen, N., et al. Identification and chemistry of C4H3 and C4H5 isomers in fuel-rich flames. Journal of Physical Chemistry A. 110, 3670-3678 (2006).
- Hansen, N., et al. A combined ab initio and photoionization mass spectrometric study of polyynes in fuel-rich flames. Physical Chemistry Chemical Physics. 10, 366-374 (2008).
- Taatjes, C. A., et al. Enols are common intermediates in hydrocarbon oxidation. Science. 308, 1887-1889 (2005).
- Tolocka, M. P., Zhao, B., Wang, H., Johnston, M. V. Chemical species associated with the early stage of soot growth in a laminar premixed ethylene-oxygen-argon flame. Combustion and Flame. 142, 364-373 (2005).
