14 декабря 2011 года

1. Интернет-семинар «Оборудование компании TSI для контроля наноразмерных и мелких фракций частиц» 14 декабря 2011 года

2. Классификация аэрозольных частиц. Природа. К аэрозолям относят такие взвеси частичек в газе, в которых частички перемещаются в основном вместе с потоками содержащего их газа, т.е. составляют с газом достаточно устойчивую систему. Твердые частицы Жидкие частицы В составе аэрозолей, находящихся в окружающем воздухе, могут быть частицы различного происхождения и химического состава. Искусственно созданные аэрозоли состоят, как правило, из частиц определенного химического состава.

3. Классификация аэрозольных частиц. Происхождение.

4. Происхождение аэрозольных частиц

5. Классификация аэрозольных частиц. Размеры. За нижнюю границу принимают размер аэрозольных (взвешенных) частиц, состоящих не менее, чем из 6-10 молекул. ГОСТ Р ИСО 7708-2006: аэродинамический диаметр частицы (particle aerodynamic diameter): диаметр сферы плотностью 1 г/см3, которая в условиях спокойного воздуха за счет силы гравитации имеет скорость осаждения, равную скорости осаждения частицы в анализируемом воздухе при преобладающих значениях температуры, давления и относительной влажности. Наночастицы – частицы с аэродинамическим диаметром менее 100 нм (0,1 мкм).

6. Роль аэрозольных частиц

8. Наночастицы содержатся в больших количествах в городском воздухе Набольший вклад в количество содержащихся в воздухе частиц вносят процессы сжигания и выбросы автотранспорта. Наночастицы являются причиной городского смога. Традиционный контроль массового содержания частиц (PM10, PM2.5, PM1) не является репрезентативным, так как наночастицы имеют ничтожную массу, но большую суммарную поверхность и общее количество: - Масса одного миллиона наночастиц (100 нм) равна массе одной частицы размером 10 мкм Количество частиц фракции PM10в тысячу раз ниже, чем наночастиц, но их масса составляет 99 % от массы всех частиц

9. Типичное распределение частиц по размерам в условиях города 5000 4000 3000 2000 1000 0 Количество частиц в единице объема Частиц/см3 120 80 40 0 0.01 0.10 1.0 10.0 100 Массовая концентрация мкг/м3 0.01 0.10 1.0 10.0 100 Diameter (m) Most Urban Aerosol is <100nm Virtually No Mass <100nm

10. Контроль наноразмерных и мелких фракций частиц: - измерение концентрации частиц; - измерение размеров частиц; - измерение площади поверхности частиц. Основной метод регистрации частицы – оптический, но порог обнаружения этого метода – 100 нм.

11. Технологии контроля частиц, реализованные в приборах TSI.

12. Технология измерений SMPS/FMPS. • В SMPS для регистрации частиц используются конденсационный счетчик, в FMPS – электрометр • Регистрация частиц в диапазоне до 100 нм осуществляется без привязки к их размерам. • Поэтому сначала требуется разделить полидисперсный поток частиц на монодисперсные потоки (с одинаковым размером частиц), и после этого определить количество частиц в каждом монодисперсном потоке. • В связи с этим процесс измерений включает в себя: • Распределение частиц по размерам; • 2. Регистрация частиц.

13. Детектирование Распределение по размерам Технология конденсации Технология электрометрии Технология диффузии Анализ подвижности (DMA)* + + + + CPC CPC Электрометр аэрозолей Электрометр аэрозолей Концентрация частиц Площадь поверхн. Заряд Спирт. CPCs Водн. CPCs NSAM* or DC* Электрометр аэрозолей (диффузная батарея) EDB* SMPS DMPS FMPS (EAA) Технологии SMPS/FMPS Характеристики наноразмерных частиц * Плюс зарядка

14. Технология SMPS Сканирующий спектрометр подвижности частиц Разделение частиц по размерам Регистрация частиц Long DMA, Nano DMA (анализатор дифференциальной подвижности) CPC (конденсационный счетчик)

15. Принцип работы SMPS Распределение размеров Полидисперсный аэрозоль Концентрация DMA CPC Напряжение/диаметр Монодисперсный аэрозоль Шаговый режим> 20 минут Сканирующий режим (SMPSTM) ~ 1-3 минуты

16. Конденсационные счетчики частиц Измерение концентрации частиц в реальном времени • Как работает счетчик CPC? • Он делает размер наночастиц больше !!! • Оригинальное название CNC (счетчик ядер конденсации) возникло из физики облаков, где образование ядер конденсации предшествует дождю • В CPC реализуются 3 стадии • Пересыщенный пар формируется из рабочей жидкости • Вокруг частиц возникают ядра конденсации, образующие (оптически) капли, которые много больше размера самих частиц • Оптика счетчика CPC детектирует рассеяние и считает импульсы от пролета ядер (частиц)

18. Теория активации 1) Насыщение 2) Конденсация 3) Детектирование D = диаметр Кельвина dS = поверхностное натяжение рабочей жидкости M = молекулярный вес рабочей жидкости rL = Плотность рабочей жидкостиd R = газовая постоянная T = Температура S = коэффициент пересыщения S = коэффициент пересыщения Pv = давление пара Psaturation(T) = давление насыщенного пара

19. Схема CPC

20. Концепция СРС Рабочая жидкость: - бутанол - вода Концепция СРС на базе спирта • За подогретым сатуратором следует холодный конденсор • Исполнение не вполне хорошее, так как имеющийся водяной пар слишком быстро диффундирует для того, чтобы обеспечить необходимое перенасыщение вдоль центральной линии конденсора Концепция СРС на базе воды • За охлажденным сатуратором следует подогретый конденсор • Теплые стенки участка конденсации в трубке смочены водой • Водяной пар диффундирует к центральной линии быстрее, чем поток тепла от стенок, что обеспечивает максимальное перенасыщение в центральной линии потока аэрозоля

21. Концепция CPC Alcohol-based CPC Water-based CPC Condenser, 10 ºC Growth Tube, 75 ºC Saturator, 35 °C Saturator, 12 °C S = Pv/Psat S = Pv/Psat

22. Два типа счетчиков СРС с непрерывным ламинарным потоком WCPCs Дифференциальная диффузия Бутанольный BCPCs Тепловая диффузия S = (DH2O > air) S = (air) • Вода – маленькая молекула • диффузия тепла и водяного пара значительны • оба диффундируют в одном направлении, но вода достигает потока первой • участок холодного сатуратора • участок теплого роста • бутанол – большая молекула • значительна только тепловая диффузия • диффузия пара бутанола несущественна • участок теплого сатуратора • участок холодного роста

23. WCPC Flow Schematic • Cooled saturator followed by warm condenser (growth tube) • In cooled saturator: aerosol saturated with water vapor & temperature equilibrated • Growth tube: Heated walls produce high level of supersaturation as water vapor diffuses quickly to center of stream before aerosol is heated up • Mass diffusivity of water vapor > • thermal diffusivity of air ! • Aerosol becomes supersaturated and water condenses on particles

24. Семейство CPC - сравнение

25. Сканирующий классификатор подвижности частиц Измеряет распределение частиц по размеру с высоким разрешением • Конденсационные счетчики (CPC’s) – превосходный детектор наночастиц, но они не дают информацию об их размерах • Перед СРС используется анализатор дифференциальной подвижности (DMA) • В DMA частицы сначала разделяются по их размеру • Затем их направляют в СРС, где они подсчитываются (в различных классах по размерам) • Комбинация DMA и СРС в режиме быстрого сканирования и образует сканирующий классификатор подвижности частиц (SMPS™)

26. где: np = значение заряда на одну частицу e = элементарная единица заряда E = напряженность электрического поля  = вязкость газа Dp = диаметр частицы C = коррекция Каннингема v = скорость Электрическая подвижность (Zp) Способность заряженных частиц двигаться в электрическом поле

28. Теория DMA В цилиндрическом анализаторе дифференциальной подвижности электрическая подвижность Zpвыбранных частиц определяется как: Электрическая подвижность монодисперсных частиц, выходящих из цилиндрического DMA является функцией скорости потока аэрозоля, геометрических параметров DMA, и напряжения на центральном электроде DMA.

29. Схема DMA

30. Выбор DMA: Нано-DMA • Нано-DMA* специально разработан • для частиц от 3 до 50 нм • Полный диапазон от 2 до 150 нм • Важные особенности разработки, • такие, как: • Короткая входная секция для уменьшения потерь • Аэродинамически спроектированная входная щель для лучшего соответствия потоков (аэрозоль/кожух) • Короткая длина разделения (5 см) для уменьшения диффузии • Доработанная секция выхода для однородности электрического поля • Удобен для разделения с высоким разрешением

31. - + - - + - + - - + Выход аэрозоля Вход аэрозоля - + + - - + - + + + Герметичная трубка из нерж. стали Другие компоненты: радиоактивный нейтрализатор • По направлению DMA, после входного импактора • Основное назначение • Для разделения в DMA необходимо знать процент положительно заряженных частиц по отношению к общему числу частиц • Нейтрализатор обеспечивает образование большого числа положительных и отрицательных ионов, в результате чего выходящий из него аэрозоль достигает  равновесия Фукса • Используется Kr-85, инертный газ (бета – излучение) в герметичной трубке

32. Равновесие заряда Фукса В равновесии заряда Фукса хорошо известен процент положительно заряженных частиц, отрицательно заряженных и нейтральных Процент частиц, несущих элементарные единицы заряда np Wiedensohler, A. (1988) An Approximation of the Bipolar Charge Distribution for Particles in the Submicron Size Range, Journal of Aerosol Science, Vol. 19, No. 3, pp. 387-389, 1988.

33. Другие компоненты: улучшенный нейтрализатор Блок нейтрализатора Ячейка ионизации вход выход • По направлению DMA, после входного импактора • Устанавливается непосредственно в SMPS • На базе мягкого рентгеновского излучения

34. Преимущество мягкого рентгеновского излучения Это биполярное диффузионное заряжающее устройство; ……играет ту же роль, что радиоактивный нейтрализатор • Имеется стабильный атом или молекула • Подвергается воздействию мягких X-лучей • Отрыв электрона приводит к образованию положительного иона • Электрон взаимодействует со стабильным атомом или молекулой • Появляются положительные и отрицательные ионы

35. Передовой нейтрализатор аэрозолей. Особенности и преимущества • Нерадиоактивная альтернативанейтрализаторам аэрозоля на базе85Kr, 210Po и 241Am • Виртуально идентичен радиоактивному нейтрализатору по геометрическим размерам с отклонением в пределах нормы в 5 %. • Нет ограничений при транспортировании – упрощение покупки, использования и обработки нейтрализатора аэрозолей • Совместим с SMPS 3936 & 3034 электростатическим классификатором 3080 • Электроника – легко включается и выключается • Биполярный диффузионный заряд – баланс содержания положительных и отрицательных ионов • Нет генерации частиц • Нейтрализует частицы с концентрациями до 107частиц/cm3

36. Другие компоненты: классификатор • Электростатический классификатор • Платформа на базе входного импактора, нейтрализатора аэрозолей и DMA • Обеспечивает: • Ре-циркуляцию потоков • Коррекцию температуры и давления потока • Дисплей на передней панели • Позволяет электронно контролировать: • Размер частиц • расходы • Функции прибора

37. Схема потоков SMPS 3936

38. Сканирующий анализатор подвижности аэрозольных частиц™ (SMPS™) Технические характеристики • диапазон измерения размера частиц от 0,0025 до 1,0 мкм • разрешение- до 167 каналов измерения • диапазон измерения концентрации от 1 до 108 частиц/см3 • время измерения 30 сек. • регулировка скорости потока от 0,2 до 2 л/мин. • программное обеспечение Применение - тестирование выбросов двигателей автомобилей • мониторинг атмосферного воздуха • контроль воздуха рабочей зоны и газовых промышленных выбросов • исследование наночастиц

40. Преимущества SMPS Диапазон размеров частиц – от 2 до 1000 нм; Измерения в реальном времени Высокое разрешение по размерам, количественные измерения Может быть использован в процессах производдства наночастиц

41. Применение SMPS

42. Применение SMPS

43. Применение SMPS

44. Применение SMPS

45. Применение SMPS

46. Применение SMPS

47. Быстрый спектрометр подвижности аэрозольных частиц ™(FMPS™) мод.3091

48. Электрометр аэрозолей (AEM) • Измеряет суммарный заряд аэрозольных частиц – или концентрацию аэрозолей с известным зарядом • В отличие от СРС, это не прибор, который может измерять отдельные частицы • Обеспечивает точные измерения электрического тока и расхода потока • Может измерить количество частиц монодисперсного аэрозоля, если используется с DMA • В основном для калибровки и тестирования приборов для измерения частиц • Может быть также использован как детектор в системах классификации размеров • Нижний предел детектирования – 2 нм, верхний – 5 микрон • Требует минимальной концентрации ~200 - 300частиц/см³ Liu, B.Y.H., Pui, D.Y.H. (1975). On the Performance of the Electrical Aerosol Analyzer, J. Aerosol Sci. 6, 249-264.

49. Neutralized Particles Particle Filter Charged Aerosol Particles Air Flow Positive Charge Flow I Принцип работы (1) Основной принцип: ячейка Фарадея.

50. Спектрометр быстрой подвижности аэрозольных частиц ™(FMPS™) мод.3091