The effects of salt addition on the thermo-optical properties of soot

Abstract

Soot is a known contributor to climate change due to its strong light absorption possibility. It has been shown that adding alkali salts during the soot formation reduces its soot absorption ability, and thus reduces its impacts, but the exact mechanics are not fully understood. This thesis aims to get a better understanding of the effects that salts have on soot. The salts used were sodium chloride and potassium chloride. Raman spectroscopy and thermo-optical analysis were used to gather data on soot samples. The resulting data from thermo-optical analysis was used to calculate the ratio of organic carbon and elemental carbon (OC/EC) ratio and mass absorption cross-section (MAC) of the samples. For the Raman spectroscopy measurements, the resulting spectra was deconvoluted into peaks and a fluorescence background. After the fluorescence background was subtracted from the data, the ratios of the various peaks were calculated to obtain knowledge of the graphitic structure. A comparison was made between the soot samples with salt from a Perkin-Elmer burner and soot samples with varying heights above a McKenna burner, as the height above the burner (HAB) has known effects on the soot sample’s peak ratios. The differences between the soot samples are presented by plotting their Raman peak ratios ID1/IG, ID3/IG and ln(m/IG) obtained from the Raman spectroscopy experiment, in which D1, D3 and G are Raman peaks of soot and m is the slope of the fluorescence background. The soot samples with salt addition had overall smaller ID1/IG, ln(m/IG) and MAC, and had larger ID3/IG and OC/EC compared to the regular soot sample. All of these results, except the lower ln(m/IG), implies that the samples with salt addition are less light absorbing than the reference soot. Using the results from both burners, the connection between the OC/EC and MAC, ID1/IG, ID3/IG, and ln(m/IG) are presented. OC/EC has a positive correlation with ID1/IG and ln(m/IG) (McKenna samples) and a negative relation with MAC and ln(m/IG) (Perkin-Elmer samples). The connection for OC/EC and ID3/IG was more uncertain, though the results seem to hint at a negative correlation. The results obtained are discussed further in the thesis.

Popular Abstract (Swedish)

Sot är en produkt som kommer ifrån ofullständig förbränning av olika bränslen, som fossila bränslen och biogaser. Sot produceras därför, bland annat, i många av våra fordon, så sot släpps ut i stora mängder. Sot har en negativ påverkan på miljö och mänsklig hälsa. Det finns olika typer av sot. De som absorberar ljus bättre och har större klimatpåverkan kallas moget sot, medan sot med sämre ljusabsorptionsförmåga kallas omoget sot. Mogenheten på sotet beror på hur länge den varit i förbränningen, och mogenheten påverkar sotets olika egenskaper.

Sotets mogenhet brukar kategoriseras genom att titta på dess egenskaper. Ett exempel på en sådan egenskap är sotets komposition av kol. Kol i sot brukar uppdelas i två delar, det organiska kolet, som är kol blandat med andra organiska ämnen, och det elementära kolet, som kan anses vara rent kol. Mognare sot har mera elementärt kol. Ett annat sätt att kategorisera sotets mogenhet är att titta på dess nanostruktur, eftersom mognare sot har mer struktur.

I denna rapport studerades hur nanostrukturen och kompositionen av sot påverkas när salter tilläggs under sotets formation. Salterna som undersökts i den här studien är natriumklorid och kaliumklorid. Tidigare studier har konstaterat att additionen av dessa salter ger sämre absorptionsförmåga på sotet, men detta är ett relativt nytt forskningsområde, så flera studier behöver utföras.

Två olika tekniker används för att studera salternas påverkan på sotet. För att få information om nanostrukturen användes Ramanspektroskopi, som producerar ett spektrum från ljusets växelverkan med vibrationer eller rotationer i molekylernas bindningar. Detta spektrum är ett Ramanspektrum, och vad några av de olika topparna i Ramanspektrumet säger om nanostrukturen är känt. För att kompositionen ska kunna studeras användes termo-optisk analys, där sotet förångas i olika omgivningar för att separera kolet som sotet består av i organiskt och elementärt kol. Organiskt kol kan omvandlas under förångningen till pyrolytiskt kol, som anses ha liknande egenskaper som elementärt kol. Förångningen korrigeras med hjälp av transmission av lasrar igenom filtret som sotet är på. Detta är för att pyrolytiskt kol förbättrar sotets absorptionsförmåga, så transmissionen försvagas. Det inspekteras också hur förångningen påverkar sotets nanostruktur. Absorptionsförmågan för sotet kan räknas ut med parametrar ifrån den termo-optiska analysen.

Resultaten från Ramanspektroskopi experimentet indikerar att sot med salt i dess formering är mindre strukturerat, har mera amorft kol och har mindre bundet väte. Strukturen för de olika sot exemplaren utvecklades ungefär likadant under uppvärmningen. OC/EC ration av dessa exemplar var högre för soten med salt addition, och absorptionsförmågan var sämre för sot med salt tillagd i dess formering. Mindre bundet väte innebär bättre ljus absorptionsförmåga, men resten av resultaten indikerar sämre ljus absorptionsförmåga. Kaliumklorid verkade ha större påverkan på OC/EC, vätebindningen och MAC än natriumklorid. Sammanfattningsvis gör salt additionen att sot får en sämre absorptionsförmåga. Detta kan vara viktigt då salter används för att skapa biomassa, så det kan tyda på att mera salt ska läggas till för att reducera biomassans effekt.

• author: Kaarna, Amanda
• supervisor: Thi Kim Cuong Le; Saga Bergqvist
• organization: Combustion Physics; Department of Physics
• course: FYSM33 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Soot, Raman spectroscopy, Thermo-optical analysis, OC/EC, Raman peak ratios, mass absorption cross-section
• language: English
• id: 9163262
• date added to LUP: 2024-07-02 07:57:58
• date last changed: 2024-07-02 07:57:58