CN108872030A - 一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置及方法 - Google Patents
一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108872030A CN108872030A CN201811022421.9A CN201811022421A CN108872030A CN 108872030 A CN108872030 A CN 108872030A CN 201811022421 A CN201811022421 A CN 201811022421A CN 108872030 A CN108872030 A CN 108872030A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- soot
- sample
- carbon
- particles
- soot sample
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000004071 soot Substances 0.000 title claims abstract description 311
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 75
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 27
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000000944 Soxhlet extraction Methods 0.000 claims abstract description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims abstract description 11
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 116
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 94
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 94
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 claims description 40
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 22
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 19
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 19
- 208000016261 weight loss Diseases 0.000 claims description 17
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 claims description 17
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 12
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 9
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 6
- 238000010792 warming Methods 0.000 claims description 6
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 5
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 4
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 4
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 2
- 238000009738 saturating Methods 0.000 claims description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 3
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 235000019504 cigarettes Nutrition 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000003694 hair properties Effects 0.000 description 2
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- NEHMKBQYUWJMIP-UHFFFAOYSA-N chloromethane Chemical class ClC NEHMKBQYUWJMIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 230000007096 poisonous effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N5/00—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
Abstract
本发明公开了一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置，主要包括电脑控制系统、索氏萃取装置、热重分析仪；控制器、热电偶、加热炉和电子天平组成热重分析仪，加热电热丝和坩埚组成加热炉；恒温水箱与加热炉相连，电子天平监控坩埚中碳烟样品质量并输出至电脑控制系统；热重分析仪分别与氮气、氧气气瓶相连，各气路上设有流量计；温度控制器、水浴锅、球形烧杯、萃取管、回流管、冷凝管和冷却水箱组成索氏萃取装置。利用本发明装置获得的样品进行透射电子显微镜照射，可以获取各碳烟样品的均值粒径和分形维数，实现了碳烟破碎过程中单一变量控制，更有利于了解各变量对于破碎特性的影响，为进一步降低发动机尾气排放减少雾霾污染提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种研究碳烟颗粒破碎特性的装置及方法，尤其涉及一种研究碳烟颗粒热力破碎和氧化破碎的装置及方法。
背景技术
当前雾霾污染日益严重，而日益增长的汽车拥有量导致尾气排放急剧增加，是造成雾霾污染的主要元凶。在汽车运行过程中，由于燃料的不完全燃烧形成了碳烟颗粒团聚物，在缸内高温富氧的情况下，碳烟颗粒团聚物受到氧化破碎和热力破碎的作用产生更多的超细碳烟颗粒，这种微粒由于其粒径小，面积大，活性强，易附带有毒有害物质，且在大气中的停留时间长，输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。由于发动机缸内燃烧情况复杂，循环变动大无法研究单一变量对于碳烟颗粒热力破碎和氧化破碎的影响，因此开发一种研究碳烟颗粒热力破碎和氧化破碎特性的装置及方法势在必行。
发明内容
针对现有技术，为了开展碳烟颗粒热力破碎和氧化破碎特性的研究，本发明提供一种获取碳烟颗粒热力破碎和氧化破碎特性的装置，该装置包括索氏萃取装置、干燥器、热重分析仪，可在不同气氛条件下实现对不同类型碳烟的热力破碎和氧化破碎的研究。
为了解决上述的技术问题，本发明提出一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置，包括电脑控制系统、索氏萃取装置、干燥器、热重分析仪、氮气气瓶和氧气气瓶；所述热重分析仪由控制器、热电偶、加热炉、恒温水箱和电子天平组成，所述加热炉由加热电热丝和坩埚组成；所述加热炉由热电偶获取温度反馈至控制器，所述加热炉温度由控制器控制；所述恒温水箱与所述加热炉相连，所述坩埚中碳烟样品质量由电子天平监控并输出至电脑控制系统；所述热重分析仪分别通过气路与所述氮气气瓶和所述氧气气瓶相连，各气路上均设有流量计以控制气体的流速；所述索氏萃取装置由温度控制器、水浴锅、球形烧杯、萃取管、回流管、冷凝管和冷却水箱组成。
利用上述获取碳烟热力破碎和碳烟氧化破碎特性的装置获取碳烟热力破碎和碳烟氧化破碎特性的方法，其中，所述碳烟为柴油机尾气碳烟，并包括以下步骤：
步骤一、制备两组碳烟样品，两种碳烟样品分别记为碳烟样品A和碳烟样品B；
所述碳烟样品A的制备过程是：将收集到的来自于柴油机尾气碳烟的碳烟颗粒放入热重分析仪的坩埚中进行程序升温处理，经过处理后的碳烟颗粒即为碳烟样品A；
所述碳烟样品B的制备过程是：将收集到的来自于柴油机尾气碳烟的碳烟颗粒用滤纸包好放入到萃取管中，在球形烧杯中添加有机溶剂，所添加的有机溶剂的量占据2/3的烧杯容积，经所述水浴锅加热，所述水浴锅的温度由温度控制器控制，有机溶剂受热蒸发在所述冷凝管中冷凝，所述冷凝管的冷却水由所述冷却水箱提供，冷凝的有机溶剂流至所述萃取管中对碳烟颗粒进行萃取，含有挥发性有机物的溶剂经回流管流回所述球形烧杯中，通过反复多次萃取直至回流液遇水不浑浊为止，此时，去除了碳烟颗粒中的有机挥发性物质；取出萃取管中的碳烟颗粒放入所述干燥器中进行干燥，将干燥后的碳烟颗粒放入热重分析仪的坩埚中进行程序升温处理，经过处理后的碳烟颗粒即为碳烟样品B；
步骤二、打开氮气气瓶的阀门，设定气瓶压力，选择热重分析仪试验温度，打开热重分析仪；
步骤三、制备用于透射电子显微镜分析的的碳烟样品，包括用于获取碳烟颗粒热力破碎特性的含挥发性有机物的碳烟样品A1和不含挥发性有机物的碳烟样品B1；用于获取碳烟颗粒氧化破碎特性的含挥发性有机物的碳烟样品A2和不含挥发性有机物的碳烟样品B2；
碳烟样品A1的制备：选取5mg步骤一制备得到的碳烟样品A放入所述热重分析仪的坩埚中，打开氮气气体流量计，设置氮气气体流量计的流速为60ml/min，用氮气冲走所述热重分析仪的加热炉内的干扰气体，通过热重分析仪的程序升温控制系统，使加热炉内的温度从室温以15/min的升温速度升温至1200℃，保持惰性气体氮气流速为60ml/min和保持1200℃对碳烟样品A加热1小时，该惰性气氛条件下碳烟颗粒仅发生热力破碎，将该碳烟样品A冷却到室温，取坩埚中的碳烟样品A 1mg放入10ml乙醇溶剂的烧杯中进行震荡、超声后得到悬浊液；将搅拌均匀后的悬浊液滴在透射电子显微镜的取样微栅上，保存在培养皿中，获得用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的碳烟样品A1；
碳烟样品B1的制备与上述碳烟样品A1的制备基本相同，不同仅为将其中选取的5mg步骤一制备得到的碳烟样品A改为碳烟样品B,最终获得用于透射电子显微镜分析的不含挥发性有机物的碳烟样品B1；
碳烟样品A2的制备：选取5mg步骤一制备得到的碳烟样品A放入所述热重分析仪的坩埚中，打开氮气气体流量计，设置氮气气体流量计的流速为60ml/min，用氮气冲走所述热重分析仪的加热炉内的干扰气体，通过热重分析仪的程序升温控制系统，使加热炉的温度从室温以15/min的升温速度升温至500℃，将氮气气瓶关闭，打开氧气气瓶，并设置氧气的流速设置为50ml/min，保持500℃对碳烟样品A加热，使碳烟颗粒发生氧化失重，当碳烟失重率达到10％时，终止对碳烟样品A的加热，将该碳烟样品A冷却到室温，取坩埚中的碳烟样品A 1mg放入10ml乙醇溶剂的烧杯中进行震荡、超声后得到悬浊液；将搅拌均匀后的悬浊液滴在透射电子显微镜的取样微栅上，保存在培养皿中，获得用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的碳烟样品A2；根据上述方法依次获得碳烟失重率达到10％、20％、30％和40％时的取样，从而获得一组碳烟失重率达到10％、20％、30％和40％时取样的用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的碳烟样品A2；
碳烟样品B2的制备与上述碳烟样品A2的制备基本相同，不同仅为将其中选取的5mg步骤一制备得到的碳烟样品A改为碳烟样品B,最终获得一组碳烟失重率达到10％、20％、30％和40％时取样的用于透射电子显微镜分析的不含挥发性有机物的碳烟样品B2；
步骤四、将步骤三制备得到的碳烟样品A1、碳烟样品B1、碳烟样品A2和碳烟样品B2分别进行透射电子显微镜照射，来获取每个碳烟样品的碳烟颗粒的均值粒径和分形维数，分形维数Df通过以下公式获得：
式(1)中：Rg为团聚颗粒的回转半径；
rp是基本碳烟颗粒的均值半径，该基本碳烟颗粒的均值半径rp通过碳烟样品的透射电子显微镜图片获得；
kg是分形前因子，分形前因子kg与团聚颗粒的回转半径Rg相关；
Np是团聚颗粒中的基本碳烟颗粒数目，由团聚颗粒的投影面积关系确定：
式(2)中，AA是团聚颗粒的投影面积,Ap为基本碳烟颗粒的投影面积,αa和ka均为常数，其中，αa取值为1.19,ka取值为1.81；
Rg通过以下公式得到：
式(3)中，L为团聚颗粒的最大投影长度，团聚颗粒的最大投影长度L通过碳烟样品的透射电子显微镜图片，并使用imageJ软件获得；
碳烟颗粒的均值粒径和分形维数与碳烟颗粒破碎的关系是：单个碳烟颗粒发生破碎生成更多的小的碳烟颗粒，其碳烟颗粒的均值粒径显著降低；团聚态碳烟颗粒发生破碎生成更多小的团聚态的碳烟颗粒，其碳烟颗粒的分形维数减小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)实现了碳烟热力破碎和氧化破碎过程中单一变量控制，更有利于了解各变量对于破碎特性的影响；
(2)引入索氏萃取装置，实现了对于碳烟颗粒中挥发性有机物的去除，获得挥发性有机物对于碳烟颗粒热力破碎和氧化破碎的影响；
(3)用新的参数，即分形维数来分析碳烟的热力破碎和氧化破碎现象。
本发明可以获取碳烟颗粒热力破碎和氧化破碎特性，该研究可进一步的明确挥发性有机物对于热力破碎和氧化破碎的影响，完善和丰富碳烟颗粒热力破碎和氧化破碎的机理，为进一步降低发动机尾气排放减少雾霾污染提供理论依据。
附图说明
图1为本发明获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置的结构框图；
图2为本发明中热重分析仪结构及工作示意图；
图3为本发明中索氏萃取装置结构及工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明提出一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置，包括电脑控制系统1、索氏萃取装置2、干燥器3、热重分析仪4；如图2所示，所述的热重分析仪4由控制器41、热电偶42、加热炉43、恒温水箱44和电子天平45组成，所述的加热炉43由加热电热丝43A、坩埚43B组成；所述的加热炉43由热电偶42获取温度反馈至控制器41，所述的加热炉43温度由控制器41控制；所述恒温水箱44与加热炉43相连，所述的坩埚43B中样品质量由电子天平45监控并输出至电脑控制系统1中的计算机，所述电子天平45的精度为0.001mg,能够精准的反应碳烟样品的质量变化情况；所述热重分析仪4分别通过气路与氮气气瓶5、氧气气瓶6相连，各连接的气路上均设有流量计7和流量计8以控制两种气体的流速；如图3所示，所述索氏萃取装置2由温度控制器21、水浴锅22、球形烧杯23、萃取管24、回流管25、冷凝管26和冷却水箱27组成。使用索氏萃取装置2时，将碳烟样品用滤纸包好放入到萃取管24中，在球形烧杯23中添加适量有机溶剂，经所述的水浴锅22加热，所述的水浴锅22温度由温度控制器21控制，有机溶剂受热蒸发在所述的冷凝管26中冷凝，所述的冷凝管26冷却水由冷却水箱27提供，冷凝的有机溶剂流至萃取管24中对碳烟样品进行萃取，含有挥发性有机物的溶剂经回流管25流回球形烧杯23中，通过反复多次萃取后，将有机挥发性物质去除后，取出萃取管24中碳烟样品放入所述的干燥器3，干燥后碳烟样品可以直接放入热重分析仪4的坩埚43中进行程序升温；与之相对应的，不经过去除有机挥发性物质处理的碳烟样品放入热重分析仪4的坩埚43B中进行程序升温，通过后续的分析便可以获得挥发性有机物质对该类型碳烟破碎特性的影响。
本发明中，为了获取碳烟热力破碎和碳烟氧化破碎特性，需要制备各自所需的碳烟样品，包括含挥发性有机物的碳烟样品A和不含机性挥发物的碳烟样品B。
所述碳烟样品A的制备过程是：将收集到的10g来自于柴油机尾气碳烟的碳烟颗粒放入热重分析仪4的坩埚43B中进行程序升温处理，经过处理后的碳烟颗粒即为碳烟样品A。
所述碳烟样品B的制备过程是：将收集到的10g来自于柴油机尾气碳烟的碳烟颗粒用滤纸包好放入到萃取管24中，在球形烧杯23中添加二氯甲烷，所添加的二氯甲烷的量占据2/3的烧杯容积，开启冷凝水及水浴锅，由温度控制器21控制所述水浴锅22加热到80℃，二氯甲烷受热蒸发在所述冷凝管26中冷凝，所述冷凝管26的冷却水由所述冷却水箱27提供，冷凝的有机溶剂流至所述萃取管24中对碳烟颗粒进行萃取，将含有挥发性有机物的二氯甲烷的回流速度控制在每小时12次，样品萃取过程持续12h，经回流管25流回所述球形烧杯23中，通过反复多次加热萃取直至回流液遇水不浑浊为止，此时，表明挥发性有机物质已经被萃取干净，停止加热，冷却至室温，从萃取管中取出残余碳烟样品，放入所述干燥器3中干燥12h，以去除溶剂二氯甲烷，将干燥后的碳烟颗粒放入热重分析仪4的坩埚43B中进行程序升温处理，经过处理后的碳烟颗粒即为碳烟样品B。
实施例1、利用本发明获取碳烟热力破碎和碳烟氧化破碎特性的装置获取碳烟颗粒热力破碎特性的具体步骤如下：
打开氮气气瓶5的阀门，设定气瓶压力，选择热重分析仪试验温度，打开热重分析仪4。
制备用于获取碳烟颗粒热力破碎特性的含挥发性有机物的碳烟样品A1和不含挥发性有机物的碳烟样品B1，其中：
碳烟样品A1的制备：选取5mg碳烟样品A放入所述热重分析仪的坩埚43B中，打开氮气气体流量计，设置氮气气体流量计的流速为60ml/min，用氮气冲走所述热重分析仪的加热炉43内的干扰气体，通过热重分析仪的程序升温控制系统，使加热炉43内的温度从室温以15/min的升温速度升温至1200℃，保持惰性气体氮气流速为60ml/min和保持1200℃对碳烟样品A加热1小时，该惰性气氛条件下保证了碳烟颗粒不会发生氧化诱导的破碎仅会发生热力破碎，将该碳烟样品A冷却到室温，取坩埚43B中的碳烟样品A 1mg放入10ml乙醇溶剂的烧杯中进行震荡、超声后得到悬浊液；将搅拌均匀后的悬浊液滴在透射电子显微镜的取样微栅上，保存在培养皿中，获得用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的碳烟样品A1。
碳烟样品B1的制备与上述碳烟样品A1的制备基本相同，不同仅为将其中选取的5mg的碳烟样品A改为碳烟样品B,最终获得用于透射电子显微镜分析的不含挥发性有机物的碳烟样品B1。
对上述碳烟样品A1和碳烟样品B1进行透射电子显微镜(TEM)照射，来获取碳烟颗粒平均粒径和分形维数，分形维数通过以下公式获得：
其中：Np是团聚颗粒中的基本碳烟颗粒数目，由团聚颗粒的投影面积关系确定：
其中，AA是团聚颗粒的投影面积，Ap为基本碳烟颗粒的投影面积,αa和ka为经验常数。在这里αa取为1.19,ka取为1.81。
Rg可以通过以下的经验公式推导：
其中，L为团聚颗粒的最大投影长度。
最终获得两个碳烟样品A1和B1的均值粒径分别为43.65和43.56nm，其分形维数分别为1.92和1.84。碳烟的均值粒径和分形维数是与碳烟破碎息息相关的两个参数。若单个碳烟颗粒发生破碎将会生成更多的小的碳烟颗粒，其碳烟的均值粒径将会显著降低；若团聚态碳烟颗粒发生破碎会生成更多小的团聚态的碳烟颗粒，其碳烟的分型维数将会减小。有无去除挥发性有机物的碳烟颗粒样品的均值粒径变化不大。而去除挥发性有机物碳烟样品的分型维数要小于未去除挥发性有机物碳烟样品的分型维数，说明在该试验条件下热力学破碎没有导致单个碳烟粒子发生破碎，而是团聚体碳烟颗粒发生破碎，去除挥发性有机物有利于团聚体热力学破碎的发生。
实施例2、利用本发明获取碳烟热力破碎和碳烟氧化破碎特性的装置获取碳烟颗粒氧化破碎特性的具体步骤如下：
打开氮气气瓶5的阀门，设定气瓶压力，选择热重分析仪试验温度，打开热重分析仪4。
制备用于获取碳烟颗粒氧化破碎特性的一组含挥发性有机物的碳烟样品A2和不含挥发性有机物的碳烟样品B2，其中：
碳烟样品A2的制备：选取5mg碳烟样品A放入所述热重分析仪的坩埚43B中，打开氮气气体流量计，设置氮气气体流量计的流速为60ml/min，用氮气冲走所述热重分析仪的加热炉43内的干扰气体，通过热重分析仪的程序升温控制系统，使加热炉43的温度从室温以15/min的升温速度升温至500℃，将氮气气瓶关闭，打开氧气气瓶，并设置氧气的流速设置为50ml/min，保持500℃对碳烟样品A加热，使碳烟颗粒发生氧化失重，当碳烟失重率达到10％时，终止对碳烟样品A的等温加热，使碳烟不再进一步发生氧化，将该碳烟样品A冷却到室温，取坩埚43B中的碳烟样品A 1mg放入10ml乙醇溶剂的烧杯中进行震荡、超声后得到悬浊液；将搅拌均匀后的悬浊液滴在透射电子显微镜的取样微栅上，保存在培养皿中，获得用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的碳烟样品A10；依次获得碳烟失重率达到20％、30％和40％时刻进行取样，从而获得一组碳烟失重率达到10％、20％、30％和40％时刻的用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的A组碳烟样品，分别记为A10、A20、A30和A40，均保存在培养皿中。
碳烟样品B2的制备与上述碳烟样品A2的制备基本相同，不同仅为将其中选取的5mg的碳烟样品A改为碳烟样品B,最终获得一组碳烟失重率达到10％、20％、30％和40％时的用于透射电子显微镜分析的不含挥发性有机物的B组碳烟样品，分别记为B10、B20、B30和B40，均保存在培养皿中。
对碳烟样品A10、A20、A30、A40、B10、B20、B30和B40，分别进行透射电子显微镜(TEM)照射，来获取碳烟颗粒均值粒径和分形维数，分形维数通过以下公式获得：
其中：Np是团聚颗粒中的基本碳烟颗粒数目，由团聚颗粒的投影面积关系确定：
其中，AA是团聚颗粒的投影面积,Ap为基本碳烟颗粒的投影面积,αa和ka为经验常数。在这里αa取为1.19,ka取为1.81。
Rg可以通过以下的经验公式推导：
其中，L为团聚颗粒的最大投影长度。
最终求出的碳烟样品A10、A20、A30和A40的均值粒径分别为41.23、38.76、28.76和24.69nm,而碳烟样品B10、B20、B30和B40的均值粒径分别为38.62、31.02、25.36和21.68nm。通过上面公式求出的碳烟样品A10、A20、A30和A40分形维数分别为1.86、1.81、1.61和1.58，而碳烟样品B10、B20、B30和B40的分形维数分别为1.78、1.65、1.59和1.56。从数据中可以看出对于A组碳烟样品来说，在碳烟失重率在20％到30％的区间内，碳烟均值粒径和分形维数均明显减小，说明这个失重率区间内，碳烟颗粒发生了破碎；对于B组数据来说，碳烟失重率在10％到20％区间内，碳烟均值粒径和分形维数下降很明显，在该区间内碳烟发生破碎。碳烟破碎会使得团聚态颗粒物变得更松散，使得碳烟颗粒破碎成更多小的碳烟颗粒，因此会导致碳烟的均值粒径和分形维数出现明显减小；对于A组和B组碳烟对比来说，A组碳烟样品破碎发生在碳烟失重率为20％到30％的区间内，而B组碳烟样品破碎发生在碳烟失重率为10％到20％区间内，说明碳烟中挥发性有机物质的去除，促使碳烟颗粒更易发生破碎。这主要是由于碳烟中挥发性物质的去除促使碳烟孔隙度增大，孔隙度增大更有利于氧气的进入并对碳烟内部进行氧化，进而加了碳烟的氧化速率，导致碳烟发生破碎。
碳烟颗粒的均值粒径和分形维数是与碳烟破碎息息相关的两个参数。若单个碳烟颗粒发生破碎将会生成更多的小的碳烟颗粒，其碳烟的均值粒径将会显著降低；若团聚态碳烟颗粒发生破碎会生成更多小的团聚态的碳烟颗粒，其碳烟的分型维数将会减小。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置，包括电脑控制系统(1)、索氏萃取装置(2)、干燥器(3)、热重分析仪(4)、氮气气瓶(5)和氧气气瓶(6)；其特征在于，
所述热重分析仪(4)由控制器(41)、热电偶(42)、加热炉(43)、恒温水箱(44)和电子天平(45)组成，所述加热炉(43)由加热电热丝(43A)和坩埚(43B)组成；所述加热炉(43)由热电偶(42)获取温度反馈至控制器(41)，所述加热炉(43)温度由控制器(41)控制；所述恒温水箱(44)与所述加热炉(43)相连，所述坩埚(43B)中碳烟样品质量由电子天平(45)监控并输出至电脑控制系统(1)；
所述热重分析仪(4)分别通过气路与所述氮气气瓶(5)和所述氧气气瓶(6)相连，各气路上均设有流量计以控制气体的流速；
所述索氏萃取装置(2)由温度控制器(21)、水浴锅(22)、球形烧杯(23)、萃取管(24)、回流管(25)、冷凝管(26)和冷却水箱(27)组成。
2.一种获取碳烟热力破碎和碳烟氧化破碎特性的方法，其特征在于，利用如权利要求1所述获取碳烟热力破碎和碳烟氧化破碎特性的装置，其中，所述碳烟为柴油机尾气碳烟，并包括以下步骤：
步骤一、制备两组碳烟样品，两种碳烟样品分别记为碳烟样品A和碳烟样品B；
所述碳烟样品A的制备过程是：将收集到的来自于柴油机尾气碳烟的碳烟颗粒放入热重分析仪(4)的坩埚(43B)中进行程序升温处理，经过处理后的碳烟颗粒即为碳烟样品A；
所述碳烟样品B的制备过程是：将收集到的来自于柴油机尾气碳烟的碳烟颗粒用滤纸包好放入到萃取管(24)中，在球形烧杯(23)中添加有机溶剂，所添加的有机溶剂的量占据2/3的烧杯容积，经所述水浴锅(22)加热，所述水浴锅(22)的温度由温度控制器(21)控制，有机溶剂受热蒸发在所述冷凝管(26)中冷凝，所述冷凝管(26)的冷却水由所述冷却水箱(27)提供，冷凝的有机溶剂流至所述萃取管(24)中对碳烟颗粒进行萃取，含有挥发性有机物的溶剂经回流管(25)流回所述球形烧杯(23)中，通过反复多次萃取直至回流液遇水不浑浊为止，此时，去除了碳烟颗粒中的有机挥发性物质；取出萃取管(24)中的碳烟颗粒放入所述干燥器(3)中进行干燥，将干燥后的碳烟颗粒放入热重分析仪(4)的坩埚(43B)中进行程序升温处理，经过处理后的碳烟颗粒即为碳烟样品B；
步骤二、打开氮气气瓶(5)的阀门，设定气瓶压力，选择热重分析仪试验温度，打开热重分析仪(4)；
步骤三、制备用于透射电子显微镜分析的的碳烟样品，包括用于获取碳烟颗粒热力破碎特性的含挥发性有机物的碳烟样品A1和不含挥发性有机物的碳烟样品B1；用于获取碳烟颗粒氧化破碎特性的含有挥发性有机物的碳烟样品A2和不含有挥发性有机物的碳烟样品B2；
碳烟样品A1的制备：选取5mg步骤一制备得到的碳烟样品A放入所述热重分析仪的坩埚(43B)中，打开氮气气体流量计(7)，设置氮气气体流量计的流速为60ml/min，用氮气冲走所述热重分析仪的加热炉(43)内的干扰气体，通过热重分析仪的程序升温控制系统，使加热炉(43)内的温度从室温以15/min的升温速度升温至1200℃，保持惰性气体氮气流速为60ml/min和保持1200℃对碳烟样品A加热1小时，该惰性气氛条件下碳烟颗粒仅发生热力破碎，将该碳烟样品A冷却到室温，取坩埚(43B)中的碳烟样品A 1mg放入10ml乙醇溶剂的烧杯中进行震荡、超声后得到悬浊液；将搅拌均匀后的悬浊液滴在透射电子显微镜的取样微栅上，保存在培养皿中，获得用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的碳烟样品A1；
碳烟样品B1的制备与上述碳烟样品A1的制备基本相同，不同仅为将其中选取的5mg步骤一制备得到的碳烟样品A改为碳烟样品B,最终获得用于透射透射电子显微镜分析的不含挥发性有机物的碳烟样品B1；
碳烟样品A2的制备：选取5mg步骤一制备得到的碳烟样品A放入所述热重分析仪的坩埚(43B)中，打开氮气气体流量计(7)，设置氮气气体流量计的流速为60ml/min，用氮气冲走所述热重分析仪的加热炉(43)内的干扰气体，通过热重分析仪的程序升温控制系统，使加热炉(43)的温度从室温以15/min的升温速度升温至500℃，将氮气气瓶关闭，打开氧气气瓶，并设置氧气的流速设置为50ml/min，保持500℃对碳烟样品A加热，使碳烟颗粒发生氧化失重，当碳烟样品失重率达到10％时，终止对碳烟样品A的加热，将该碳烟样品A冷却到室温，取坩埚(43B)中的碳烟样品A 1mg放入10ml乙醇溶剂的烧杯中进行震荡、超声后得到悬浊液；将搅拌均匀后的悬浊液滴在透射电子显微镜的取样微栅上，保存在培养皿中，获得用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的碳烟样品A2；根据上述方法依次获得碳烟失重率达到10％、20％、30％和40％时的取样，从而获得一组用于透射电子显微镜分析的含挥发性有机物的碳烟样品A2；
碳烟样品B2的制备与上述碳烟样品A2的制备基本相同，不同仅为将其中选取的5mg步骤一制备得到的碳烟样品A改为碳烟样品B,最终获得一组碳烟失重率达到10％、20％、30％和40％时取样的用于透射电子显微镜分析的不含挥发性有机物的碳烟样品B2；
步骤四、将步骤三制备得到的碳烟样品A1、碳烟样品B1、碳烟样品A2和碳烟样品B2分别进行透射电子显微镜照射，来获取每个碳烟样品的碳烟颗粒的均值粒径和分形维数，分形维数Df通过以下公式获得：
式(1)中：Rg为团聚颗粒的回转半径；
rp是基本碳烟颗粒的均值半径，该基本碳烟颗粒的均值半径rp通过碳烟样品的透射电子显微镜图片获得；
kg是分形前因子，分形前因子kg与团聚颗粒的回转半径Rg相关；
Np是团聚颗粒中的基本碳烟颗粒数目，由团聚颗粒的投影面积关系确定：
式(2)中，AA是团聚颗粒的投影面积,Ap为基本碳烟颗粒的投影面积,αa和ka均为常数，其中，αa取值为1.19,ka取值为1.81；
Rg通过以下公式得到：
式(3)中，L为团聚颗粒的最大投影长度，团聚颗粒的最大投影长度L通过碳烟样品的透射电子显微镜图片，并使用imageJ软件获得；
碳烟颗粒的均值粒径和分形维数与碳烟颗粒破碎的关系是：单个碳烟颗粒发生破碎生成更多的小的碳烟颗粒，其碳烟颗粒的均值粒径显著降低；团聚态碳烟颗粒发生破碎生成更多小的团聚态的碳烟颗粒，其碳烟颗粒的分形维数减小。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811022421.9A CN108872030B (zh) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | 一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811022421.9A CN108872030B (zh) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | 一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108872030A true CN108872030A (zh) | 2018-11-23 |
| CN108872030B CN108872030B (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=64323227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811022421.9A Active CN108872030B (zh) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | 一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108872030B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021073351A1 (zh) * | 2019-10-18 | 2021-04-22 | 江苏大学 | 一种柴油机分级颗粒热解活化能定量评价方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04270945A (ja) * | 1991-02-27 | 1992-09-28 | Nippon Jidosha Kenkyusho | ディーゼルエンジン排気ガスの分析方法 |
| US20070219088A1 (en) * | 2006-03-20 | 2007-09-20 | Albert Chigapov | Soot oxidation catalyst and method of making |
| US20100025301A1 (en) * | 2004-05-31 | 2010-02-04 | Agency For Science, Technology And Research | Novel process for removing sulfur from fuels |
| US20120090226A1 (en) * | 2011-12-07 | 2012-04-19 | Igp Energy, Inc. | Fuels and fuel additives comprising butanol and pentanol |
| RU2455069C1 (ru) * | 2011-02-17 | 2012-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Способ получения катализатора дожига дизельной сажи |
| CN103566920A (zh) * | 2012-08-01 | 2014-02-12 | 通用电气公司 | 物质和使用其的排气装置及方法 |
| CN103630674A (zh) * | 2013-12-18 | 2014-03-12 | 天津市纺织纤维检验所 | 磁性功能纤维的定性分析、交织物的定量分析方法 |
| CN103930657A (zh) * | 2011-09-06 | 2014-07-16 | 迪尔伯恩金融公司 | 用于回收利用所捕获的凝聚的碳烟的系统和相关方法 |
| CN105358665A (zh) * | 2013-06-04 | 2016-02-24 | 普瓦图-夏朗德萨姆瓦拉格罗可再生碳公司 | 用于在共溶剂存在下通过固-液萃取从可再生原料选择性萃取不可皂化材料的方法 |
| US20170321140A1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-11-09 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Methods of producing solid fuel using low ash, low sulfur coal replacement from fast pyrolysis of biomass |
| CN208805441U (zh) * | 2018-09-03 | 2019-04-30 | 天津大学 | 用于获得碳烟热力破碎和氧化破碎特性的碳烟样品的装置 |
-
2018
- 2018-09-03 CN CN201811022421.9A patent/CN108872030B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04270945A (ja) * | 1991-02-27 | 1992-09-28 | Nippon Jidosha Kenkyusho | ディーゼルエンジン排気ガスの分析方法 |
| US20100025301A1 (en) * | 2004-05-31 | 2010-02-04 | Agency For Science, Technology And Research | Novel process for removing sulfur from fuels |
| US20070219088A1 (en) * | 2006-03-20 | 2007-09-20 | Albert Chigapov | Soot oxidation catalyst and method of making |
| RU2455069C1 (ru) * | 2011-02-17 | 2012-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Способ получения катализатора дожига дизельной сажи |
| CN103930657A (zh) * | 2011-09-06 | 2014-07-16 | 迪尔伯恩金融公司 | 用于回收利用所捕获的凝聚的碳烟的系统和相关方法 |
| US20120090226A1 (en) * | 2011-12-07 | 2012-04-19 | Igp Energy, Inc. | Fuels and fuel additives comprising butanol and pentanol |
| CN103566920A (zh) * | 2012-08-01 | 2014-02-12 | 通用电气公司 | 物质和使用其的排气装置及方法 |
| CN105358665A (zh) * | 2013-06-04 | 2016-02-24 | 普瓦图-夏朗德萨姆瓦拉格罗可再生碳公司 | 用于在共溶剂存在下通过固-液萃取从可再生原料选择性萃取不可皂化材料的方法 |
| CN103630674A (zh) * | 2013-12-18 | 2014-03-12 | 天津市纺织纤维检验所 | 磁性功能纤维的定性分析、交织物的定量分析方法 |
| US20170321140A1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-11-09 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Methods of producing solid fuel using low ash, low sulfur coal replacement from fast pyrolysis of biomass |
| CN208805441U (zh) * | 2018-09-03 | 2019-04-30 | 天津大学 | 用于获得碳烟热力破碎和氧化破碎特性的碳烟样品的装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 冯浩杰;孙平;嵇乾;刘军恒;王玉梅;: "铈基FBC添加剂对柴油机颗粒物组分及热重特性的影响", 车用发动机, no. 01 * |
| 纪祥娟;杨常光;兰孝征;: "溶胶-凝胶-硫化法制备硅橡胶吸附萃取搅拌棒", 分析化学, no. 12 * |
| 董玉平;王理鹏;邓波;陆萍;申树云;: "国内外生物质能源开发利用技术", 山东大学学报(工学版), no. 03 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021073351A1 (zh) * | 2019-10-18 | 2021-04-22 | 江苏大学 | 一种柴油机分级颗粒热解活化能定量评价方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108872030B (zh) | 2024-03-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tamer et al. | Formation of zinc oxide nanoparticles using alginate as a template for purification of wastewater | |
| CN106032585B (zh) | 石墨烯-无机纳米颗粒复合纤维及其制备方法 | |
| CN106299385B (zh) | 氮掺杂碳化细菌纤维素负载纳米铂电极材料及其制备方法 | |
| Lim et al. | Microstructure evolution and gas sensitivities of Pd-doped SnO2-based sensor prepared by three different catalyst-addition processes | |
| CN108328635A (zh) | 一种制备氧化铝气凝胶的方法 | |
| CN108872030A (zh) | 一种获取碳烟热力破碎和氧化破碎特性的装置及方法 | |
| Cao et al. | Biotemplate synthesis of monodispersed iron phosphate hollow microspheres | |
| CN208805441U (zh) | 用于获得碳烟热力破碎和氧化破碎特性的碳烟样品的装置 | |
| CN109054767A (zh) | 一种无机盐高温相变微胶囊及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Reaction inside a viral protein nanocage: Mineralization on a nanoparticle seed after encapsulation via self-assembly | |
| CN106835357A (zh) | 一种用棉花纤维制备多中空氧化锆纤维的方法 | |
| CN117088405A (zh) | 一种碳包覆纳米氧化亚钛纳米粉体及快速制备碳包覆纳米氧化亚钛纳米粉体的方法 | |
| Abdelaal et al. | Facile One‐Pot Fabrication of Hollow Porous Silica Nanoparticles | |
| CN109107572A (zh) | 激光烧蚀制备钙钛矿催化剂的方法 | |
| CN106115779B (zh) | 一种中空纳米TiO2包碳Yolk‑shell结构的制备方法 | |
| CN108101023A (zh) | 一种利用韭菜制备多元素掺杂碳材料的方法 | |
| CN103978223A (zh) | 一种利用杜仲水提取物绿色合成纳米金的方法 | |
| CN104194233B (zh) | Paa-碳酸钙复合纳米棒及其制备方法 | |
| CN106311266A (zh) | 一种微量铁掺杂的三氧化钨纳米纤维光催化剂的制备方法 | |
| CN108311094A (zh) | 一种快速合成负载型金属纳米颗粒的方法 | |
| CN103624269A (zh) | 一种纳米钨粉及其采用溶胶凝胶氢还原法制备纳米钨粉的方法 | |
| CN110015696A (zh) | 控制反应温度变化率的方法及在合成磁性纳米粒子的应用 | |
| CN109647381A (zh) | 一种可控制备铂颗粒高度分散介孔碳基复合材料作为高效产氢电催化剂的方法 | |
| CN206671012U (zh) | 一种气体取样装置 | |
| CN104587995A (zh) | 一种制备多孔球状二氧化钛的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |