Χαρακτηρισμός μορφολογίας, σύστασης και δραστικότητας νανοσωματιδίων από διεργασίες αερολυμάτων υψηλών θερμοκρασιών

Abstract

The goal of this research is to provide a better understanding of the oxidative reactivity of particulate matter and how this reactivity is affected by morphology, nanostructure of nanoparticles and their composition. The soot particles studied are a group of materials emitted from different combustion modes diesel engine (conventional and non-conventional) and different sources (vehicle and marine engines). Commercially available graphite and carbon black, were also studied as benchmark low reactivity materials. Recent research has shown that different soot samples exhibit a different degree of reactivity, which is highly dependent on the morphology and nanostructure of the nanoparticles that vary according to the fuel combustion conditions. Thus, it is necessary to better understand and investigate the factors affecting soot oxidation. An interpretation of the differences of soot oxidation among all materials was attempted based on the average particle size, their specific surface area, the degree of nanostructure organization, the crystallite size and the functional groups found on the soot surface. Small structural differences were observed among the carbon samples which seem to directly affect the soot reactivity in terms of oxidation. Particulate matter composition (hydrogen to carbon ratio, ash content and volatile matter) appeared to have an impact on the soot reactivity.

Αντικείμενο της παρούσας έρευνας αποτέλεσε η καλύτερη κατανόηση της δραστικότητας ως προς την οξείδωση που παρουσιάζουν τα σωματιδία αιθάλης και πώς αυτή επηρεάζεται από τη μορφολογία, τη νανοδομή και τη σύστασή τους. Τα σωματίδια αιθάλης που μελετήθηκαν αποτελούν μια ομάδα υλικών που συλλέχθηκαν από διαφορετικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης diesel (συμβατικούς και μη-συμβατικούς) και από διαφορετικές πηγές (κινητήρες οχημάτων και πλοίου). Εμπορικά διαθέσιμα υλικά, όπως ο γραφίτης και το Carbon Black, μελετήθηκαν επίσης ως υλικά αναφοράς καθώς επιδεικνύουν μικρή δραστικότητα. Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι διαφορετικές αιθάλες εμφανίζουν διαφορετικό βαθμό δραστικότητας, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μορφολογία και τη νανοδομή των σωματιδίων, χαρακτηριστικά τα οποία διαφέρουν ανάλογα με τις συνθήκες πυρόλυσης του καυσίμου. Για το σκοπό αυτό κρίνεται αναγκαία η διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν την οξείδωση της αιθάλης. Μία ερμηνεία των διαφορών στην οξειδωτική δραστικότητα ανάμεσα σε όλα τα δείγματα αιθάλης επιχειρήθηκε με βάση το μέσο μέγεθος των σωματιδίων, την ειδική επιφάνεια αυτών, το βαθμό οργάνωσης της νανοδομής, το μέγεθος του κρυσταλλίτη και τις λειτουργικές ομάδες που υπάρχουν στην επιφάνεια της αιθάλης. Παρατηρήθηκαν μικρές δομικές διαφορές μεταξύ των δειγμάτων που φαίνεται να επηρεάζουν άμεσα την οξειδωτική δραστικότητά τους. Η σύσταση των σωματιδίων (περιεκτικότητα σε άνθρακα, υδρογόνο, τέφρα και πτητική ύλη) φαίνεται επίσης να επηρεάζει τη δραστικότητα της αιθάλης.