аэродинамический диаметр частицы

реклама
Интернет-семинар
«Оборудование компании
TSI для контроля
наноразмерных и мелких
фракций частиц»
14 декабря 2011 года
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.
Классификация аэрозольных частиц.
Происхождение.
Взвешенные частицы в природе
Взвешенные
частицы в науке и
промышленности
Естественные
источники
Антропогенные
источники
Искусственно
генерируемые частицы для
научных исследований и
для промышленного
использования
извержение
вулканов, облака,
туманы, лесные и
степные пожары;
эрозия почв; пыльные бури, морские
брызги; биогенные
аэрозоли (пыльца,
споры, микроорганизмы и др.)
сжигание
разнообразных видов топлива и
отходов, выхлопные газы
транспорта,
выбро-сы
промышленных
предприятий, распыление пестицидов, т.е. всё
то, что связано с хозяй-
Наноматериалы,
порошки
(фармация),
спреи
(парфюмерная
промышленность),
пищевая
промышленность и т.д.
ственной деятельностью
человека
Происхождение аэрозольных частиц
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).
Роль аэрозольных частиц
– 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 PM10 в тысячу раз ниже, чем
наночастиц, но их масса составляет 99 % от массы всех
частиц
Типичное распределение частиц
по размерам в условиях города
5000
Количество частиц в
единице объема
4000
Частиц/см3
3000
2000
Most Urban
Aerosol is
<100nm
1000
0
120
0.01
0.10
1.0
10.0
100
Массовая
концентрация
мкг/м3
80
40
Virtually No Mass
<100nm
0
0.01
0.10
1.0
Diameter (m)
10.0
100
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.
Технологии контроля частиц, реализованные в
приборах TSI.
SMPS
FMPS
APS
OPS
LAS
2,5 – 1000 нм
5,6 – 560 нм
0,5 – 20 мкм
0,3 – 10 мкм
0,09 – 7,5 мкм
До 108 см-3
До 109 см-3
До 103 см-3
До 3×103 см-3
До 18×103 см-3
162 канала
32 канала
52 канала
16 каналов
100 каналов
от 30 сек
1 сек
от 1 сек
1 сек
от 1 сек
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:
1. Распределение частиц по размерам;
2. Регистрация частиц.
Технологии SMPS/FMPS
Характеристики
наноразмерных частиц
Распределение по размерам
Детектирование
Технология
конденсации
Концентрация
частиц
Спирт.
CPCs
Водн.
CPCs
* Плюс зарядка
Технология
электрометрии
Площадь
поверхн.
Заряд
NSAM*
or DC*
Электроме
тр
аэрозолей
Технология
диффузии
+
CPC
(диффузная
батарея)
+
Электроме
тр
аэрозолей
EDB*
Анализ подвижности
(DMA)*
+
CPC
SMPS
DMPS
+
Электрометр
аэрозолей
FMPS
(EAA)
Технология SMPS
Сканирующий спектрометр подвижности частиц
Разделение частиц по размерам
Регистрация частиц
Long DMA, Nano DMA
(анализатор
дифференциальной
подвижности)
CPC
(конденсационный
счетчик)
Принцип работы SMPS
Полидисперсный
аэрозоль
Концентрация
Распределение
размеров
DMA
CPC
Монодисперсный
аэрозоль
Напряжение/диаметр
Шаговый режим > 20 минут
Сканирующий режим (SMPSTM) ~ 1-3 минуты
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
1. Пересыщенный пар формируется из рабочей жидкости
2. Вокруг частиц возникают ядра конденсации, образующие
(оптически) капли, которые много больше размера самих
частиц
3. Оптика счетчика CPC детектирует рассеяние и считает
импульсы от пролета ядер (частиц)
Теория активации
D kelvin
4 SM

L RT log S
1) Насыщение
2) Конденсация
3)
Детектирование
D = диаметр Кельвина
жидкости
S = поверхностное натяжение рабочей
S
M = молекулярный вес рабочей
жидкости
L
= Плотность рабочей жидкостиd
Pv
Psaturation ( T )
R = газовая постоянная
S
= коэффициент
пересыщения
T = Температура
Pv
S
= коэффициент пересыщения
= давление пара
Psaturation(T) = давление насыщенного
пара
Схема CPC
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
Концепция CPC
Alcohol-based
CPC
Water-based
CPC
Condenser, 10 ºC
Growth Tube, 75 ºC
Saturator, 35 °C
S = Pv/Psat
Saturator, 12 °C
S = Pv/Psat
Два типа счетчиков СРС с
непрерывным ламинарным потоком
Бутанольный BCPCs
Тепловая диффузия
S = (air)
− бутанол – большая молекула
− значительна только тепловая
диффузия
− диффузия пара бутанола
несущественна
− участок теплого сатуратора
− участок холодного роста
WCPCs
Дифференциальная диффузия
S = (DH2O > 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
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
Семейство CPC - сравнение
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™)
Электрическая подвижность (Zp)
Способность заряженных частиц двигаться в
электрическом поле
 Felectric  n p eE
 Fviscous drag 
 Felectric  Fviscous drag
3D p v
C
n p eC
v
 Z p  E  3D
p
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
Теория DMA
В цилиндрическом анализаторе
дифференциальной подвижности
электрическая подвижность Zp
выбранных частиц определяется как:

Zp 
[qt  1 / 2(q p  qm )] ln(
2VL
r2
)
r1
Электрическая подвижность монодисперсных
частиц, выходящих из цилиндрического DMA
является функцией скорости потока аэрозоля,
геометрических параметров DMA, и напряжения на
центральном электроде DMA.
Схема DMA
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
Другие компоненты:
радиоактивный нейтрализатор
Вход
аэрозоля
- + - -+ + - + +- +
+ - +
+
+
-
Выход
аэрозоля
Герметичная трубка из нерж. стали
•
•
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
Равновесие заряда Фукса
В равновесии заряда Фукса хорошо известен процент
положительно заряженных частиц, отрицательно заряженных
и нейтральных
Процент частиц, несущих элементарные единицы заряда np
Dp (nm)
-2
-1
0
+1
+2
10
20
50
70
100
130
200
300
500
700
1000
0
0.02
1.13
2.80
5.67
8.21
12.18
14.56
15.09
14.29
12.86
5.03
11.14
22.94
26.02
27.42
27.30
25.54
22.71
18.60
15.94
13.33
90.96
80.29
58.10
49.99
42.36
37.32
29.96
24.16
18.28
15.15
12.36
4.02
8.54
17.20
19.53
20.75
20.85
19.65
17.51
14.33
12.27
10.24
0
0.01
0.63
1.57
3.24
4.77
7.21
8.65
8.95
8.46
7.59
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.
Другие компоненты:
улучшенный
нейтрализатор
Блок
нейтрализатора
вход
Ячейка
ионизации
выход
• По направлению DMA, после входного импактора
• Устанавливается непосредственно в SMPS
• На базе мягкого рентгеновского излучения
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
Передовой нейтрализатор аэрозолей.
Особенности и преимущества
–
–
–
–
–
–
–
–
Нерадиоактивная альтернатива нейтрализаторам аэрозоля на
базе 85Kr, 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 107 частиц/cm3
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
Схема потоков SMPS 3936
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
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
Применение SMPS
Применение SMPS
Применение SMPS
Применение SMPS
Применение SMPS
Применение SMPS
Быстрый спектрометр подвижности
аэрозольных частиц ™ (FMPS™) мод.3091
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 - 300 частиц/см³
Liu, B.Y.H., Pui, D.Y.H. (1975). On the Performance of the Electrical
Aerosol Analyzer, J. Aerosol Sci. 6, 249-264.
Принцип работы (1)
Основной принцип: ячейка
Фарадея.
Charged
Aerosol
Particles
Neutralized
Particles
Particle
Filter
Air
Flow
I
Positive
Charge
Flow
Спектрометр быстрой подвижности
аэрозольных частиц ™ (FMPS™) мод.3091
Спектрометр быстрой подвижности
аэрозольных частиц ™ (FMPS™) мод.3091
Технические характеристики
-
диапазон измерения размера частиц от 5,6 до 560 нм
разрешение- до 32 каналов измерения
широкий диапазон измерения концентраций частиц, в том числе ниже
200 частиц/см3
высокая скорость потока (10 л / мин)
большой, цветной дисплей VGA
универсальное программное обеспечение для сбора и анализа данных
Применение
-
исследование процессов образования и роста частиц
измерение качества воздуха внутри помещений
экологические исследования
исследования в токсикологии
изучение процессов горения
Аэродинамический счетчик частиц (APS)
мод. 3321
Аэродинамический спектрометр частиц мод. 3321
построен на базе уникальной технологии
параллельного применения двух методов
измерений:
- принцип рассеяния света
- принцип время пролетной спектрометрии.
APS мод.3321
В спектрометре использована запатентованная
оптическая система, обеспечивающая один
двухпиковый сигнал от каждой частицы,
попадающей в систему, что определяет высокую
точность измерений.
Перемещающаяся в пространстве частица
проходит последовательно два пучка света от
лазерного источника, за счет чего образуется два
сигнала вследствие рассеяния света на частице,
разнесенные друг от друга по времени, равному
времени пролета камеры.
Аэродинамический счетчик частиц (APS)
мод. 3321
Технические характеристики
-
диапазон измерения размера частиц 0,5 - 20 мкм (по времени пролета)
0,37 - 20 мкм (по рассеянию света)
максимальная/минимальная рекомендованная концентрация 1000 / 0,001частиц/ см3
время пробоотбора от 1 сек до 18 часов (по выбору пользователя)
расход 5 л/мин
разрешение 52 канала измерения
габаритные размеры 380х300х180 мм
масса10 кг
универсальное программное обеспечение для сбора и анализа данных
Применение
-
тестирование фильтров и воздухоочистителей
токсикологические исследования
исследование биологических аэрозолей
исследования доставки лекарств
атмосферные исследования
мониторинг атмосферного воздуха
контроль качества воздуха внутри помещений
исследования характеристик аэрозолей
порошковая калибровка
Измерения в реальном времени с разрешением по размерам
Малые габариты и масса, легок в применении
Позволяет измерять аэродинамический диаметр
Лазерный счетчик LAS 3340
Instrument Design
• Patented* intracavity design
• Particles exposed to >1W laser light
• Designed to prevent contamination
in laser cavity
*US Patents 5,907,575; 7,079,243; 7,295,585
59
Лазерный
аэрозольный
спектрометр
использует
интенсивность рассеянного излучения от лазера для
измерения размеров частиц. Однако, анализатор 3340 –
это не простой оптический счетчик частиц, для которого
характерна высокая погрешность измерений, низкое
разрешение и грубый подсчет. Спектрометр 3340 – это
именно классификатор частиц, особенностью которого
является первоклассная оптика, электроника и
пневматическая схема.
Внутрирезонаторный
лазер:
В
спектрометре
используется He-Ne лазер с новым внутрирезонаторным
лазером для достижения более высокой интенсивности
рассеяния света при низкой мощности. Практически вы
получаете лазер мощностью 1 Вт по цене лазера
мощностью 5 мВт. Это позволяет измерять более 50 %
частиц с диаметром 90 нм при высоком времени жизни
лазера.
Запатентованный
дизайн
оптической
части:
Запатентованный дизайн позволяет предотвратить
деградацию лазера из-за загрязнения благодаря: 1)
параллельной
передающей
поверхности;
2)
расположению
внутрирезонаторной
оптической
поверхности в выемке; 3) тщательно подобранным
элементам для фокусировки в видимом объеме; 4)
схеме обдува.
Оптический счетчик OPS 3330
OPS Offering
• 3330 Optical Particle Sizer
• Included Accessories:
–
–
–
–
–
–
Carrying Case
Battery (one) and AC adapter (also charges battery)
USB cable, inlet tubing
Spare filters, filter tool, stylus
AIM software
Manuals
• Optional accessories:
– Additional Battery
– External Battery Charger
– Additional spare parts
• Service Offerings
– Repair and Calibrate
– Clean and Calibrate
– Extended Warranty and Service Agreements
63
Схема OPS
• Short – Straight inlet path
to reduce particle losses
• Sheath flow focuses
particle stream to
enhance resolution
• Automatic flow control
(improves concentration
accuracy)
• Wide Collection angle
minimizes Mie scattering
effects
• Gravimetric filter for mass
correlation or chemical
analysis
64
Применение
Well designed optical instruments are useful in a variety of applications due
to their ease of use, fast measurement time, robustness and reliability.
A few popular applications are listed below
• Aerosol research studies
– Aerosol sizing
– Indoor air quality investigations
– Industrial/occupational hygiene surveys
• Environmental Monitoring
–
–
–
–
Ambient air measurements
Outdoor environmental monitoring
Emissions monitoring
Work place monitoring
• Filter Testing
– HVAC filters (ASHRAE 52.2, EN 779)
– Automotive cabin air filters (ISO 11155-1, DIN 71460-1)
65
Преимущества OPS
Измерения в реальном времени с
разрешением по размерам
Портативность
Легкость использования
Питание от батарей
Сравнение распределения по
размерам LAS/SMPS/APS
10000
SMPS
dN/dlog(Dp) (cm-3)
1000
100
10
Laser Aerosol Spectrometer
1
0.1
APS
0.01
10
100
1,000
Particle Diameter (nm)
67
10,000
Заключение
Спасибо за внимание
Но у нас есть еще много различных
предложений по анализаторам пыли и
счетчикам частиц
Скачать