X-Ray Diagnostics in Combustion - Study of Particle Formation in Flames Using Combined Small- and Wide-Angle X-Ray Scattering

Abstract

In the thesis work, two X-ray scattering techniques, small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) were combined to study particle formation in-situ and non-intrusively in ethylene laboratory flames. Combining these two techniques enabled information concerning the size and concentration as well as the subnanometer structure of the nanoparticles within the 1–100 nm range there to be obtained. Different stages in the particle formation process, and thus particles of different types were studied by varying the height above the burner surface. An increased understanding of these nanometer-sized particles and how they are formed in flames was sought. In a longer perspective, the work aims at contribute to a greater awareness of the emission of nanoparticles in combustion and ultimately to a reduction in the levels of emission.

A large part of the work concerned the development and construction of a new detection system, one combining SAXS and WAXS and designed for flame measurements in particular. The detection system arrived at included a new SAXS detector, implemented together with an already existing WAXS detector, as well as specially designed software. The SAXS and WAXS detectors were characterized by several test measurements conducted at different beamlines at the synchrotron facility MAX-lab in Lund, Sweden.

The SAXS/WAXS detection system was used initially at beamline D611 at MAX-lab for studying the particle formation process from the gas phase to the condensed phase in a diffusion ethylene flame just below a metal plate that was inserted into the flames there. The metal plate served as a flame stabilizer and as a cooling support for particles to condense on. A large number of particles smaller than 100 Å were found to be produced when the flame temperature was lowered. To study these nanoparticles at a higher level of resolution, use was made of another SAXS and WAXS detection system at beamline ID02 at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), for conducting measurements close to the metal plate. This study enabled five main size groups of ≤ 8 Å, 15–30 Å, 30–100 Å, 100–200 Å, and fractal aggregates of 1000–2000 Å, to be identified. The concentrations for each of the size groups were determined quantitatively, the concentrations of particles below 50 Å in size being found to be very high at the end of the experiment.

The new SAXS/WAXS detection system was also used at beamline ID12 at the ESRF for measurements of the gas-phase nanoparticles in different ethylene-rich, both sooting and non-sooting, flames at lower heights above the burner. Here vertically polarized X-ray radiation was employed, this extending the region involved in the case of WAXS and providing a more direct comparison of the chemical codes involved in evaluating the chemical composition of small species in different flame regions. The fitting of theoretical curves to the experimental data showed high concentrations of particles 1–2 nm in size.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vid förbränning av bränslen som innehåller kol, till exempel ved, olja och biobränslen, bildas sotpartiklar då det finns ett underskott av syre, så kallad ofullständig förbränning. Det är sotpartiklarna i brasan som ger dess gula sken. Dessa partiklar är små och består till största delen av oförbränt kol från bränslet. De små sotpartiklarna är hälsofarliga då de följer med ner i lungorna vid inandning och kan orsaka luftvägsbesvär, vissa av dem kan också vara cancerframkallande. Förutom hälsoriskerna påverkar de även klimatet negativt. Sotpartiklar kan vara en starkt bidragande orsak att glaciärerna smälter. Förklaringen är att de svarta sopartiklarna absorberar solljuset och värmer i sin tur upp luften i den omgivande atmosfären. Den lite varmare luften sveper sedan in över till exempel Himalaya och påverkar smältningen av glaciärerna. För att kunna gå till botten med hälso- och miljöproblemen som sotpartiklarna orsakar är det viktigt att förstå hur sotbildningen gått till samt att ha tillräcklig stor kunskap om deras storlek och struktur.

De minsta partiklarna som bildas i en flamma är av storleksordningen nanometer, dvs. en miljarddels meter. Dessa så kallade nanopartiklar är små partiklar som är från ca 1 till 100 nanometer och de har intressanta och unika egenskaper jämfört med större partiklar eftersom deras yta är väldigt stor i förhållande till volymen. Idag används nanopartiklar inom flera olika områden, till exempel medicin, elektronik och konfektion. Inom läkemedelsindustrin används nanopartiklar för att kapsla in läkemedlet och sedan transportera det till olika delar av kroppen. Carbon black är ett material som består av sotpartiklar i nanostorlek och produceras i flammor. Materialet används till största del som pigment och förstärkningsmedel i gummi, till exempel bildäck. Carbon black används även i plaster och finns i all trycksvärta i tidningar. Förhoppningen i framtiden är att få fullständig förståelse för hur sotbildningen i en flamma går till och därmed kunna styra och kontrollera processen. På så vis skulle utvalda nanopartiklar kunna framställas relativt billigt.

De minsta sotpartiklarna kan vi inte se med blotta ögat utan det krävs andra hjälpmedel, såsom lasrar och röntgenstrålning. Laser-baserade metoder används ofta för att studera flammor och sotpartiklar. Den största fördelen med lasrar är att de inte stör flamman, laserljuset passerar obehindrat igenom. Våglängden hos laserljus sträcker sig vanligtvis från det ultravioletta till det infraröda området, vilket är från cirka 200 till 1000 nanometer. Detta kan jämföras med synligt ljus där våglängden ligger mellan cirka 400 nanometer (blått ljus) och 750 nanometer (rött ljus). Problemet med lasrar är att våglängden inte är tillräckligt liten för att ge en upplösning på atomskalan. För att erhålla en sådan hög upplösning måste våglängden hos ljuset vara av samma storleksordning som avståndet mellan atomerna i sotpartikeln. Detta avstånd är endast en tiondels nanometer, vilket också är våglängden hos röntgenstrålning. Röntgenstrålningen har alltså en våglängd som är över tusen gånger mindre än vad en laser normalt har.

Den experimentella uppställningen för att studera sotpartiklar i en flamma består av en liten brännare, cirka 2 cm i diameter, med en metallplatta placerad några centimeter ovanför brännaren. När sotet som bildas i flamman når plattan kyls det ner och fastnar på undersidan av metallplattan. Det tar cirka en timme för sotlagret att bli någon millimeter tjockt. För att kunna undersöka sotet används en röntgenstråle, mindre än en millimeter i diameter, genom flamman strax under plattan. När röntgenstrålen träffar partiklar sprids delar av röntgenstrålen iväg åt olika håll. Genom att samla in och analysera den spridda röntgenstrålningen kan information om storleken hos sotpartiklarna samt deras struktur ges. I början av en mätning har det inte hunnit bildas något sot på plattan och röntgenljuset passerar därför enbart genom flamman. Röntgenljuset som sprids kommer då från de små sotpartiklarna som finns fritt i flamman. Allteftersom tiden går växer sotlagret och slutligen har sotlagret blivit så tjockt att röntgenljus passerar genom det. Det spridda röntgenljuset som då samlas in kommer från de större sotpartiklarna som har bildats av de mindre partiklarna.

Huvudsakligen tre olika egenskaper hos sotpartiklarna analyseras: storlek, struktur och koncentration. Mätningar visar att koncentrationen av sotpartiklar alltid ökar med tiden medan både storleken och strukturen kan variera. De visar också att mycket höga koncentrationer av de små nanopartiklarna finns fritt i flamman. De första sotpartiklarna som bildas är endast några nanometer stora. Dessa små partiklar klibbar sedan ihop med varandra och bildar större partiklar, så kallade aggregat. I en flamma finns därför de minsta partiklarna längst ned medan de största partiklarna finns högst upp i flamman. Storleken hos sotpartiklarna har uppmätts vara från cirka 1 till 100 nanometer. Strukturen hos sotpartiklarna varierar, vissa har en ganska platt struktur medan andra är mer sfäriska.

Sammanfattningsvis är sotpartiklar farliga för miljön och hälsan, men samtidigt kan de vara användbara. Fortsatt forskning behövs för att förstå den komplexa sotbildningsprocessen och på så vis kunna bidra till bättre miljö och även för att kunna producera sotpartiklar till något användbart inom den ständigt växande nanoteknologin.

• author: Vallenhag, Linda
• supervisor: Frederik Ossler
• opponent: Tranter, Robert, Argonne National Laboratory, USA
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: nanoparticles, soot particles, WAXS, X-ray scattering, SAXS, combustion, Fysicumarkivet A:2014:Vallenhag
• in: Lund reports on combustion physics
• volume: 174
• pages: 167 pages
• defense location: Lecture hall Rydbergssalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2014-06-04 10:15:00
• ISSN: 1102-8718
• ISBN: 978-91-7473-975-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f0b2ebec-2f32-4f8f-a47d-394f7264f83f (old id 4436527)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:02:40
• date last changed: 2019-05-21 18:18:02