실험 질량 분석 부서에서 연구소의 연소 기술, 독일 Zentrum에 Luft-und Raumfahrt (DLR) 슈투트가르트, 독일에서에서 실시 했다. 작품 또한 헬름홀츠 에너지-얼라이언스에 의해 지원 되었다 "합성 액체 탄화수소를", 센터의 우수성 "대체 연료"와 DLR 프로젝트 "미래의 연료". 저자는 패트릭 Le Clercq과 우베 Riedel의 제트 연료에 대 한 유익한 토론 감사 하 고 싶습니다.

1. 분자 빔 질량 분석기 (MBMS)과 흐름 반응 기 시스템의 설치
<ol><li>열 오븐을 지정 시작 온도, 지정된 측정 시리즈에 가장 높은 온도 이다. 제트 a-1와 Φ의 일반적인 조건에 대 한 = 1, 850 ° c (~ 1100 K) 총 산화는 관찰. 조사 연료와 산출할 (Φ)의 화학 특성에 따라 적절 한 시작 온도 선택 합니다.</li>
	<li>중간 종 탐지를 위한 시간의 비행 (TOF) 분석기를 준비 합니다. TOF 분석기 분자 빔에 정렬 되 고 따라서 불안정의 신뢰할 수 있는 검색을 제공 합니다. 참고: 대량 해상도 C/H/O 시스템에 원소 구성의 결정에 대 한 적합 이다. 선택 부드러운 이온화 조건 조각화 방지를 위해. 일반적으로 9.5에서 10.5 eV 값 연소 중간체의 일반적인 조사를 위해 적당 한 입증 되었습니다.</li>
	<li>4 극 자 분석기 주요 종 탐지에 대 한 준비. 참고: (잔류 가스 분석기, RGA 라고도 함)는 4 극 자 분석기는 분자 빔 근처 MBMS 시스템의 이온화 챔버 내부 배치 됩니다, 때문에 그냥 벽에 흩어져 배경 가스 측정 됩니다. 주요 종 안정적 이기 때문에, 배경 압력 샘플링 끝에 그들의 농도 잘 반영 합니다. 더 나은 신호 대 잡음 비율에 대 한이 경우 70 eV의 높은 이온화 에너지를 선택 했다.</li>
</ol>2입니다. 연료 샘플의 준비
<ol><li>연료 공급을 위한 금속 주사기를 준비 합니다. 주의: 적절 한 개인 보호 장비를 사용 하 여 연료 처리에 대 한.<ol>
<li>기화 금속 주사기를 연료 샘플의 30 mL를 입력 합니다.</li>
		<li>밸브를 열고 있지만 시스템에 가압된 공기를 추가 하 여 연료 공급 시스템 (금속 주사기) 5 바 기 압.</li>
		<li>연료 공급 라인에는 밸브를 열어 연료 라인 및 코리올리 질량 유량 계를 환기.</li>
	</ol>
</li>
	<li>기화 기 및 가스 공급 라인이 열. 특정된 설치에 온도 정상 압력 비등 점 보다 훨씬 높은 희석 때문 적용할 수 있습니다. 연료의 높은 끓는 화합물의 지정 된 온도에서 증기 압력 가스 시내에서 그것의 부분 압력 보다 높은 있는지 확인 합니다. 일반적으로, 200 ° C 제트 a-1에 대 한 적절 한입니다.</li>
	<li>시스템에서 추운 자리는 오븐에 강화 입구 플랜지는 note. 이 자리에서 희석된 연료 recondense 수 없습니다 다는 것을 확인 하십시오. 일반적인 제트 a-1 (99% 희석) 설정에 대 한 냉각 시스템을 80 ° C 물 적절 한입니다.</li>
</ol>3. 측정 및 데이터 수집
<ol><li>오븐 샘플링 위치에 배치 합니다. 샘플링 콘 오븐의 세라믹 튜브 내부에 배치 되어야 합니다. 현재에서 실험, 샘플링 위치는 오븐의 공간 온도 프로 파일의 고원 값에 가깝다. 참고: 그림 1 에서 그림 원추와 원자로 보여 줍니다. 열띤된 반응 기 (블루) 석 영 콘으로 레일에 이동 합니다.</li>
	<li>코리올리 스 질량 유량 계를 통해 가스를 추가 하 여 선택의 희석제를 시작 합니다. 참고: 질량 흐름 미터는 원래 소프트웨어 패키지에 의해 제어 됩니다. 여기, 질량 유량 값을 설정할 수 있습니다. 일반적으로, 99% 아르곤이 사용 됩니다. 일반적으로, 액체 연료에 대 한 희석제 흐름 수 있습니다를 추가 코리올리 스 질량 유량 계를 사용 하 여 병렬 Cori 흐름 2 온수 라인을 통과 하 여 기화 기 및 산화 제 가스 스트림을 분할 되며 Cori 흐름 3에서 산화 제 스트림에 직접 연결.</li>
	<li>지정 된 경 음악 소프트웨어를 사용 하 여 연속 데이터 기록 (TOF 및 4 중 극)을 시작 합니다. 참고: 클릭 시작-단추 4 극 자 소프트웨어. TOF 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭 합니다.<ol>
<li>코리올리 유량 계 소프트웨어의 적절 한 흐름 상태를 설정 하 여 산화 제 O2 를 추가 합니다. 질량 스펙트럼에서 새로운 피크로 들어오는 산화 제를 관찰 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>코리올리 스 질량 유량의 적절 한 흐름 상태를 설정 하 여 연료를 추가 합니다.<ol>
<li>스펙트럼을 확인 합니다. 상체와 화학 량 론 조건의 경우 완전 한 산화를 달성, 안정 된 CO2 대량 신호를 관찰 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>신호 강도 4 ~ 5 측정에 대 한 안정, 안정화 기간이 끝납니다. 안정화 기간 후 오븐에 일반적으로-200 K/h의 지속적인 온도 치 램프를 적용 합니다. 일반적인 측정 측정 실행 당 2 h의 시간을이 끈다.<ol>
<li>경사로 동안 특정 오븐 온도에서 질량 스펙트럼의 급속 한 변화를 관찰 합니다. 단독 연소 제품 (H2O, CO2 와 CO, H2 풍부한 경우에) 사라지기 시작 하 고 작은 연소 중간체 감지 될. 참고: 추가 온도 감소, 보이는 중간체 될 큰. 차가운 오븐 온도에서 연료와 산소의 신호에만 관찰 될 수 있다; 아무 반응 원자로의 현재 체류 시간 내에서 일어나는.</li>
	</ol>
</li>
	<li>최종 온도 안정 때 (일반적으로 500 ° C, 10 분)는 산화 제를 끄고.<ol>
<li>기록 측정을 계속 합니다. 산화 제 없이 조건에서 (조각의 구성) 측정을 연료 특성을 가져옵니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>0 값을 설정 하 여 코리올리 스 질량 유량 계 소프트웨어에 연료 전환. 데이터는 여전히 기록 될 것 이다; 이러한 스펙트럼을 사용 하 여 배경 측정에 대 한.</li>
	<li>데이터는 소프트웨어의 중지 단추를 클릭 하 여 녹음을 중지 합니다.</li>
</ol>4. 교정 측정
<ol><li>교정 문제에 대 한 샘플링 콘 앞 닫힌된 챔버를 탑재 합니다. 참고: 닫힌된 챔버는 튜브, 노즐 앞 손으로 배치 됩니다.</li>
	<li>오픈 밸브 펌프입니다. 실로 대피.</li>
	<li>이진 혼합물 (관심와 Ar의 탄화수소) 또는 교정에 대 한 상업적인 교정 가스를 적용 합니다. 데모, CO와 CO2 와 아르곤 사용자 정의 가스 혼합 여기 사용 됩니다.</li>
	<li>신호 강도 신호 대 잡음 비율 위와 채도 제한 아래를 니 들 밸브에 의해 교정 챔버에 압력을 조정 합니다.</li>
	<li>데이터 기록 TOF 소프트웨어에서 시작 단추를 클릭 하 여 3.5에서 개별 측정 수행을 시작 하 여 교정 측정을 시작 합니다.</li>
</ol>5입니다. 데이터 처리
참고: 다시 코딩 스펙트럼에서 기록 각 오븐 온도에 일치 해야 합니다.
<ol><li>각 기록 된 온도에, 선택한 각 종족에 대 한 해당 신호에서의 몰 분수를 계산 합니다. 오븐 온도 (그림 3) 대 두더지 분수 프로필을 플롯 합니다.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Moore, R. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofuel+blending+reduces+particle+emissions+from+aircraft+engines+at+cruise+conditions.">Biofuel blending reduces particle emissions from aircraft engines at cruise conditions.</a> Nature. 543 (7645), 411-415 (2017).</li><li>Braun-Unkhoff, M., Kathrotia, T., Rauch, B., Riedel, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=About+the+interaction+between+composition+and+performance+of+alternative+jet+fuels.">About the interaction between composition and performance of alternative jet fuels.</a> CEAS Aeronautical Journal. 7 (1), 83-94 (2016).</li><li>Egolfopoulos, F. 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저자는 공개 없다.

다양 한 작동 조건에 대 한 분자-빔 질량 분석 검출 시스템 수 양적 speciation 데이터 대기 열 흐름 반응 기의 제시 조합입니다. 여러 연구21,22,,2327 시연 부분 산화 현상에 대 한 관련 풍부한 메탄 조건에서 시작 하는 실험의 유연성 (φ = 2.5), 조사 하는 현대 제트 연료 화합물의 연소 화학 같은 farnesane. 이?...

현대의 여파로 연소 프로세스 이해, 낮은 방출 연료 재생 가능 자원에서 오늘날의 사회 생태 적이 고 및 경제 주제에 대 한 도전 이다. 그들은 화석 연료에 대 한 의존도 줄이기 위해, CO2 배출량, 오프셋 및 그을음 등의 독성 선구자1유해한 오염 물질 배출량에 긍정적인 영향을 미칠 가능성이 있다. 그들의 이용을 가진이 빠르게 성장 하는 분야를 결합 하 여 현대 연소 시스템에서, 관리 화학 및 물리적 프로세스의 기본적인 이해에 대 한 수요는 극적으로 증가2. 오늘날에, 과격 한 연쇄 반응에서 발생 하는 복잡 한 화학 반응 네트워크 아직도 완전히 이해 하 고. 분석 또는 심지어 오염 물질 형성 또는 (자동) 점화 프로세스 같은 현상 제어, 화학 반응 네트워크의 상세한 지식을 퍼즐3의 중요 한 부분 이다.
조사 하 고 그 화학 반응 네트워크 이해, 실험 및 수 치적 접근은 필수입니다. 실험적으로, 구체적인 질문을 대상으로 단순 하 고 잘 제어 흐름 환경 실험을 적용 하 여 연소 화학을 공부 했다 일반적으로. 높은 복잡성과 개별 하위 프로세스의 역학 기본적인 실험 온도, 압력, 열 지정 된 주요 특징의 추적을 허용 하면서 기술에서는 약관의 정확한 복제 방지 릴리스, 또는 화학 종입니다. 초기에, 다른 실험 방법에 대 한 필요가 되었다, 각 연소 화학의 전반적인 글로벌 그림에 기여 하는 정보의 후속 집합을 제공 하 고 특정 질문을 태 클. 조건의 전체 범위를 커버 하 고 다양 한 접근 방법을 기술 시스템에서 발생 하는 복잡 한 조건을 설명 하기 위해 그 후속 정보 집합을 수집 하려면 개발 성공적으로 되었습니다. 잘 설립 된 기술을 다음과 같습니다.
<ul><li>충격 튜브4,,56 고 빠른 압축 기계7. 이 소자는 넓은 범위 압력 및 온도의 높은 제어를 제공 한다. 그러나, 접근 가능한 반응 시간 및 적합 한 분석 기법 제한 됩니다.</li>
	<li>층 류 premixed 불길3,,89,10,11 얻을 간단한 흐름 필드와 함께에서 높은 온도 조건에 이상적입니다. 이후 반응 영역의 공간 차원 압력 증가 함께 감소, premixed 불길은 speciation 목적 저압 조건에서 일반적으로 조사 됩니다.</li>
	<li>특히 확산 화 염12,13,,1415 난 류 연소에 flamelet 정권 조사에 이상적입니다. 그들은 진짜 난 류 흐름에 이질성으로 인해 긴장을 모방 왔지만, 다시, 높은 종 형성 분석 기법.</li>
	<li>다양 한 반응 기 실험16,,1718 (정적, 촉발 및 플러그 흐름) 환경, 온도 일반적으로 낮은 고압에 대 한 액세스 환경 화 염에 비해 제공. 일반적인 접근은:<ul>
<li>정적 원자로 예: 펄스 photolysis 실험을 위해 널리 이용 된다 그러나 일반적으로 긴 거주 시간과 낮은 온도 의해 제한 됩니다.</li>
		<li>제트-흔들 원자로, 즉 가스 버전 완벽 하 게 촉발된 원자로 (PSR)의 효율적인 가스 위상의 혼합에 의존 하 고 일정 한 체류 시간, 온도와 압력, 모델을 쉽게 정상 상태에서 작동 될 수 있다. 그러나, 분자 시간이 뜨거운 표면에 이동 하 고 이기종 반응을 받을 수 있다.</li>
		<li>수많은 흐름 반응 기 접근으로 알려져 있습니다, 플러그 흐름 반응 기 (PFR) 원통형 형상의 연속, 흐르는 시스템에서 화학 반응을 설명 하기 위한 가장 인기 있는 방법 중 하나. 플러그 흐름 조건 정상 상태에서 이상적인 PFRs에 대 한 위치로의 기능으로는 플러그의 고정된 체류 시간으로 간주 됩니다.</li>
	</ul>
</li>
</ul>실험적인 연소 활동의 분야에 그 귀중 한 기술 보완, 높은-온도 층 흐름 반응 기 실험19,20 추적에 대 한 분자 빔 질량 분석 (MBMS) 기술 채용 자세하게에서 종 개발21,22 여기 표시 됩니다. 층 류, 대기압 및 액세스할 수 온도 최대 1800 K 작업 조건이 흐름 반응 기의 주요 특성 민감한 MBMS 기술 수 종의 거의 모든 화학 연소에 검출 프로세스입니다. 이 포함 되지 않은 기 반응성이 매우 높은 종 또는 거의 다른 검출 방법으로 추적. MBMS 기술 전통과 현대적인 대체 연료, 알콜 또는 에테르23,,2425 등의 화 염에 반응 네트워크의 상세한 조사를 위해 널리 사용 되 고의 것 보여주었다 현대 운동 모델 개발에 대 한 큰 값입니다.
그림 1 샘플링 프로브 (A)의 확대 된 프레임 높은 온도 흐름 반응 기의 회로도 보여준다 고 두 그림 전체 실험 (B) 및 프로브 설치 (C). 시스템은 두 개의 세그먼트에 분할 될 수 있다: 첫째, 가스 공급 및 기화 기 체계 및 초 고온 흐름 반응 기, MBMS 비행 시간 검출 시스템. 작업 흐름 관의 출구는 MBMS 시스템의 샘플링 노즐에 직접 장착 됩니다. 가스는 반응 기 출구에서 직접 샘플링 이며 높은 진공 검출 시스템으로 전송. 여기, 이온화 후속 비행 시간 검출 전자 이온화에 의해 수행 됩니다.
반응 기는 고온 오븐 (예를 들어, 게로, 유형 HTRH 40-1000)에 배치 1,497 m m 길이 40 m m 내경 세라믹 (알루미늄2O3) 파이프. 총 열된 섹션 길이 1000 m m 이다. 가스는 강화 플랜지 (~ 80 ° C에 일반적으로 단련 된)에 의해 premixed 및 반응 기에 미리 증발을 먹인 다. 높은 희석 (ca. 99 vol %ar에서), 층 류 흐르는 반응 혼합물 (온도 특성에 대 한 내용은 아래를 주어질 것 이다) 알려진된 온도 프로 파일을 통해 전달. 가스 성분의 검출 반응 기 출구에 오븐 온도의 기능으로 일어난다. 단순하게 감소 온도 램프 (-200 K/h) 뚜렷한 온도에서 측정 될 때 비슷한 결과 얻을 수 있습니다 1800 K 600 K. 메모의 범위에서 오븐에 적용 하는 동안 지속적인 유입 유량에서 측정 수행 됩니다. 등온선 오븐 온도 및 열 관성 제대로 간주 됩니다. 시스템의 열 안정화 아직도 몇 시간이 고 온도 램프 (무시할 수) 작은 온도 증가 대 한 시간 및 시리즈 당 총 측정 시간 평균의 타협으로 선택 됩니다. 평균 시간 (45 s)는 MBMS의 2.5 공화국에 해당 결과 거주 시간 약 2는 주어진 조건 (에서 1000 K) s. 마지막으로, 온도 재현성 때문 현재 원자로 실험에 대 한 정밀 측정된 온도의 ± K 5의 또는 더 나은 상대를 진술 될 수 있다.
그림 2 기술 제트 연료 등도 복잡 한 탄화수소 혼합물을 조사 하기 위해 최적화 된 기화 시스템의 회로도 보여준다. 모든 입력된 스트림이 코리올리 스 질량 흐름 미터 높은 정밀도 (정확도 ± 0.5%)에 metered 있습니다. 연료의 증발 온도에서 상업 기화 기 시스템에 의해 실현은 최대 200 ° c. 미리 증발된 연료와 모든 공급 라인은 동시에 열 저하를 피하고 있는 동안 액체 연료의 응축을 방지 하기 위해 일반적으로 150 ° C의 온도 가진 preheated. 완벽 하 고 안정적인 증발은 정기적으로 확인 하 고 해당 연료의 정상적인 비등 점의 밑에 온도에 발생할 수 있습니다. 완전 한 증발 연료 작은 분수와 낮은 부분 압력에 의해 보장 되었다 (일반적으로 100 아래 Pa) 필요.
그림 1의 확대 된 프레임에서 자세히 본 가스 주위 압력 (약 960 hPa)에서 반응 기 출구의 중심선에서 석 영 콘에 의해 샘플링 됩니다. 노즐 팁은 대략 반응 영역의 끝에 세라믹 튜브 내부 30 mm 50 μ m 구멍이 있다. 유의 하십시오, 샘플링 위치는 입구에 관하여 고정 됩니다. 오븐의 열 확장 반응 세그먼트의 온도 독립적인 길이에 따른 샘플링 시스템에 기계적으로 연결 되지 않은 콘센트에만 일어난다. 모든 반응 가스는 높은 진공 (2 개의 차동 펌핑 단계; 10-2 와 10-4 Pa)25,26으로 확장 될 때 분자 빔 형성 때문 침묵 즉시 있다. 샘플 전자 영향 (EI) 시간의 비행 (TOF) 질량 분석기의 이온 소스에 가이드 (해상도 연구 질량 = 3000) C/H 내 원소 구성 결정에 적합 한 정밀도에 현재 종의 정확한 질량을 결정 할 수 /O 시스템입니다. 전자 에너지는 이온화 과정으로 인해 조각화를 최소화 하기 위해 낮은 값 (일반적으로 9.5-10.5 eV)로 설정 됩니다. 희석제 및 참조 종 아르곤 이온화 전자 1.4 eV (FWHM)의 광범위 한 에너지 분포 때문에 여전히 감지는 note. 동안 아칸소 낮은 전자 에너지 주요 종 (H2O, CO2, CO, H2와 O2, 연료)의 충분 한 결정에 대 한 허용 하지 않습니다 좋은 S/n, 측정 될 수 있다는 프로필 중요 한 낮은 농도에서 현재 .
TOF에 의해 검출 이외 즉, 사중 극 자 질량 분석기는 잔류 가스 분석기 (RGA), MBMS TOF 측정을 동시에 더 높은 전자 에너지 (70 eV)와 위에 6 종 모니터링 이온화 챔버에 배치 됩니다.

<table><tbody><tr><td>Time-Of-Flight MBMS</td><td>Kaesdorf</td><td>n.a.</td><td>custom design</td></tr><tr><td>Molecular Beam Samling Interface</td><td>self made</td><td>n.a.</td><td>custom design</td></tr><tr><td>Laminar Flow Reactor</td><td>Gero</td><td>Type HTRH 40-1000</td><td>custom design</td></tr><tr><td>Quadrupole MS</td><td>Hiden</td><td>HAL/3F 301</td><td>adapted to ionization chamber</td></tr><tr><td>Vaporizer</td><td>Bronkhorst</td><td>CEM</td><td>Vaporizer</td></tr><tr><td>Mass Flow Meter</td><td>Bronkhorst</td><td>Mini Cori-Flow M12, M13, M14</td><td>Flow Controller</td></tr><tr><td>Jet A-1</td><td>n.a.</td><td>n.a.</td><td>Standard Jet fuel of interest</td></tr><tr><td>Metal syringe</td><td>Hugo Sachs</td><td>70-2252</td><td>Fuel Supply</td></tr><tr><td>Heating Hoses</td><td>Hillesheim</td><td>HMI series</td><td>Gas Preheating</td></tr><tr><td>Gas</td><td>Linde</td><td>Ar, O2</td><td>Diluent, Oxidizer</td></tr></tbody></table>

combustion chemistry of fuels: quantitative speciation data obtained from an atmospheric high-temperature flow reactor with coupled molecular-beam mass spectrometer

이 원고는 강력한 분자 빔 질량 분석 (MBMS) 기술을 결합 하 여 고온 흐름 반응 기 실험을 설명 합니다. 이 유연한 도구 잘 제어 된 조건 하에서 반응 흐름 속도 론 화학 가스 위상의 상세한 관찰을 제공합니다. 층 류 흐름 반응 기에서 사용할 수 있는 작동 조건의 광대 한 범위는 일반적으로 불꽃 실험에 의해 달성 하는 특별 한 연소 응용 프로그램을 액세스할을 수 있습니다. 가스 화 공정, 저온 산화 정권 또는 복잡 한 기술 연료의 조사 peroxy 화학 관련 높은 온도에서 풍부한 조건 포함 됩니다. 제시 설치 반응 화학의 체계적인 일반적인 이해 하면서 연소, 가스 화 및 열 분해 과정의 반응 모델 검증에 대 한 양적 speciation 데이터의 측정을 허용 한다. 운동 반응 모델의 유효성 검사는 일반적으로 순수한 화합물의 연소 프로세스를 조사 함으로써 수행 됩니다. 흐름 반응 기 검 댕 선구자 또는 오염 물질 발생 연소 중간체의 현상 학적 분석에 대 한 수 있도록 기술 연료 (예: 제트 a-1 처럼 다 성분 혼합물)에 적합 하도록 향상 되었습니다. 제어 및 유사한 경계 조건 실험 설계에 의해 제공 오염 물질 형성 추세의 예측을 허용 한다. 차가운 반응 premixed 자립 연소 반응을 억제 하기 위해 (아칸소에서 약 99 vol %)에서 높은 희석 하는 원자로에 먹인 다. 층 류 흐름 반응 혼합물 원자로 배기 가스 구성 오븐 온도의 기능으로 결정 되는 동안 알려진된 온도 필드를 통해 전달 합니다. 최대 1800 K. 흐름 반응 기는 대기 온도와 압력에서 운영 스스로 측정-200 K/h의 속도로 일정 하 게 온도 감소 하 여 수행 됩니다. 민감한 MBMS 기술로 자세한 speciation 데이터는 인수 하 고 급진적인 종 등 반응 과정에서 거의 모든 화학 종에 대 한 계량.

샘플된 가스 구성의 일반적인 질량 스펙트럼은 그림 3에 표시 됩니다. 약 3000, m/z까지 종 대량 해상도의 주어진 설정 = 260 C/H/O 시스템 내에서 검출 될 수 있다. 대량 교정 절차 후 봉우리 아래 해결 신호를 평가 하기 위한 deconvolution 알고리즘 각 질량 대 전 (m/z) 비에 대 한 통합 됩니다. 배경 및 조각화 수정 후 신호 알려진된 concertation (일반적으로 불활?...

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Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer

연료의 연소 화학: 양적 Speciation 데이터와 대기 고 열 흐름 반응 기에서 얻은 결합 분자 빔 질량 분석기

새로운 바이오 연료, 연료 구성 요소, 또는 비교 데이터를 제시 하는 양적 speciation의 제트 연료의 산화 연소 화학의 수사. 데이터 운동 모델 유효성 검사에 사용 될 수 있다 고 연료 평가 전략을 수 있습니다. 이 원고는 대기 열 흐름 반응 기를 설명 하 고 그 기능을 보여 줍니다.

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This ...

combustion-chemistry-fuels-quantitative-speciation-data-obtained-from

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Chemistry

10.0K 조회수.  German Aerospace Center (DLR). 새로운 바이오 연료, 연료 구성 요소, 또는 비교 데이터를 제시 하는 양적 speciation의 제트 연료의 산화 연소 화학의 수사. 데이터 운동 모델 유효성 검사에 사용 될 수 있다 고 연료 평가 전략을 수 있습니다. 이 원고는 대기 열 흐름 반응 기를 설명 하 고 그 기능을 보여 줍니다.

비디오: Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics Beamline of the Advanced Light Source (ALS) of the Lawrence Berkeley National Laboratory1-4. This video demonstrates how the complex chemical structures of laboratory-based model flames are analyzed using flame-sampling mass spectrometry with tunable synchrotron-generated vacuum-ultraviolet (VUV) radiation. This experimental approach combines isomer-resolving capabilities with high sensitivity and a large dynamic range5,6. The first part of the video describes experiments involving burner-stabilized, reduced-pressure (20-80 mbar) laminar premixed flames. A small hydrocarbon fuel was used for the selected flame to demonstrate the general experimental approach. It is shown how species&#8217; profiles are acquired as a function of distance from the burner surface and how the tunability of the VUV photon energy is used advantageously to identify many combustion intermediates based on their ionization energies. For example, this technique has been used to study gas-phase aspects of the soot-formation processes, and the video shows how the resonance-stabilized radicals, such as C3H3, C3H5, and i-C4H5, are identified as important intermediates7. The work has been focused on soot formation processes, and, from the chemical point of view, this process is very intriguing because chemical structures containing millions of carbon atoms are assembled from a fuel molecule possessing only a few carbon atoms in just milliseconds. The second part of the video highlights a new experiment, in which an opposed-flow diffusion flame and synchrotron-based aerosol mass spectrometry are used to study the chemical composition of the combustion-generated soot particles4. The experimental results indicate that the widely accepted H-abstraction-C2H2-addition (HACA) mechanism is not the sole molecular growth process responsible for the formation of the observed large polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

Gas sampling from laboratory-scale flames with online analysis of all species by mass spectrometry is a powerful method to investigate the complex mixture of chemical compounds occurring during combustion processes. Coupled with tunable soft ionization via synchrotron-generated vacuum-ultraviolet radiation, this technique provides isomer-resolved information and potentially fragment-free mass spectra.

고급 광원 불꽃 실험 : 그을음 형성 프로세스에 새로운 통찰력

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

연구

공학

Preparation and Reactivity of Gasless Nanostructured Energetic Materials

High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the balls. Among other applications, it is a versatile technique that allows for effective preparation of gasless reactive nanostructured materials with high energy density per volume (Ni+Al, Ta+C, Ti+C). The structural transformations of reactive media, which take place during HEBM, define the reaction mechanism in the produced energetic&#160;composites. Varying the processing conditions permits fine tuning of the milling-induced microstructures of the fabricated composite particles. In turn, the reactivity, i.e., self-ignition temperature, ignition delay time, as well as reaction kinetics, of high energy density materials depends on its microstructure. Analysis of the milling-induced microstructures suggests that the formation of fresh oxygen-free intimate high surface area contacts between the reagents is responsible for the enhancement of their reactivity. This manifests itself in a reduction of ignition temperature and delay time, an increased rate of chemical reaction, and an overall decrease of the effective activation energy of the reaction. The protocol provides a detailed description for the preparation of reactive nanocomposites with tailored microstructure using short-term HEBM method. It also describes a high-speed thermal imaging technique to determine the ignition/combustion characteristics of the energetic materials. The protocol can be adapted to preparation and characterization of a variety of nanostructured energetic composites.

This protocol describes the preparation of gasless nanostructured energetic materials (Ni+Al, Ta+C, Ti+C) using the short-term high-energy ball milling (HEBM) technique. It also describes a high-speed thermal imaging method to study the reactivity of mechanically fabricated nanocomposites. These protocols can be extended to other reactive nanostructured energetic materials.

준비 및 Gasless 나노 구조의 반응성 정력 재료

High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the ...

PTR-ToF-MS Coupled with an Automated Sampling System and Tailored Data Analysis for Food Studies: Bioprocess Monitoring, Screening and Nose-space Analysis

Proton Transfer Reaction (PTR), combined with a Time-of-Flight (ToF) Mass Spectrometer (MS) is an analytical approach based on chemical ionization that belongs to the Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) technologies. These techniques allow the rapid determination of volatile organic compounds (VOCs), assuring high sensitivity and accuracy. In general, PTR-MS requires neither sample preparation nor sample destruction, allowing real time and non-invasive analysis of samples. PTR-MS are exploited in many fields, from environmental and atmospheric chemistry to medical and biological sciences. More recently, we developed a methodology based on coupling PTR-ToF-MS with an automated sampler and tailored data analysis tools, to increase the degree of automation and, consequently, to enhance the potential of the technique. This approach allowed us to monitor bioprocesses (e.g. enzymatic oxidation, alcoholic fermentation), to screen large sample sets (e.g. different origins, entire germoplasms) and to analyze several experimental modes (e.g. different concentrations of a given ingredient, different intensities of a specific technological parameter) in terms of VOC content. Here, we report the experimental protocols exemplifying different possible applications of our methodology: i.e. the detection of VOCs released during lactic acid fermentation of yogurt (on-line bioprocess monitoring), the monitoring of VOCs associated with different apple cultivars (large-scale screening), and the in vivo study of retronasal VOC release during coffee drinking (nosespace analysis).

Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry allows high-sensitivity, rapid and non-invasive analysis of volatile organic compounds. To demonstrate its potential, we give three examples: lactic acid fermentation of yogurt (on-line bioprocess monitoring), different apple genotypes (large-scale screening), and retronasal space after drinking coffee (nosespace analysis).

자동 샘플링 시스템과 결합 된 PTR-ToF-MS 및 식품 연구를위한 맞춤형 데이터 분석 : 바이오 프로세스 모니터링, 스크리닝 및 코 공간 분석

Proton Transfer Reaction (PTR), combined with a Time-of-Flight (ToF) Mass Spectrometer (MS) is an analytical approach based on chemical ionization that ...

화학

Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex interactions occurring at the interface between gas-phase flames and condensed-phase fuels. The current research provides a technique to explore the dynamic relationship between a combustible condensed fuel surface and gas-phase flames in laminar boundary layers. Experiments have previously been conducted in both forced and free convective environments over both solid and liquid fuels. A unique methodology, based on the Reynolds Analogy, was used to estimate local mass burning rates and flame heat fluxes for these laminar boundary layer diffusion flames utilizing local temperature gradients at the fuel surface. Local mass burning rates and convective and radiative heat feedback from the flames were measured in both the pyrolysis and plume regions by using temperature gradients mapped near the wall by a two-axis traverse system. These experiments are time-consuming and can be challenging to design as the condensed fuel surface burns steadily for only a limited period of time following ignition. The temperature profiles near the fuel surface need to be mapped during steady burning of a condensed fuel surface at a very high spatial resolution in order to capture reasonable estimates of local temperature gradients. Careful corrections for radiative heat losses from the thermocouples are also essential for accurate measurements. For these reasons, the whole experimental setup needs to be automated with a computer-controlled traverse mechanism, eliminating most errors due to positioning of a micro-thermocouple. An outline of steps to reproducibly capture near-wall temperature gradients and use them to assess local burning rates and heat fluxes is provided.

We describe the use of micro-thermocouples to estimate local temperature gradients in steady laminar boundary layer diffusion flames. By extension of the Reynolds Analogy, local temperature gradients can be further used to estimate the local mass burning rates and heat fluxes in such flames with high accuracy.

정상 층류 경계층 확산 불길에 지역 열 플럭스와 불타는 환율의 평​​가에 대한 실험 방법론

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power generation and micro combustion as well as development in fuel cell research has created new means of power generation that combine solid oxide fuel cells with open flames and combustion exhaust. Instead of relying upon the heat of combustion, these solid oxide fuel cell systems rely on reforming of the fuel via combustion to generate syngas for electrochemical power generation. Procedures were developed to assess the combustion by-products under a wide range of conditions. While theoretical and computational procedures have been developed for assessing fuel-rich combustion exhaust in these applications, experimental techniques have also emerged. The experimental procedures often rely upon a gas chromatograph or mass spectrometer analysis of the flame and exhaust to assess the combustion process as a fuel reformer and means of heat generation. The experimental techniques developed in these areas have been applied anew for the development of the micro-tubular flame-assisted fuel cell. The protocol discussed in this work builds on past techniques to specify a procedure for characterizing fuel-rich combustion exhaust and developing a model fuel-rich combustion exhaust for use in flame-assisted fuel cell testing. The development of the procedure and its applications and limitations are discussed.

A protocol for creating a model fuel-rich combustion exhaust is developed through combustion characterization and is applied for micro-tubular flame-assisted fuel cell testing and research.

에 대한 연소 특성 및 모델 연료 개발 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power ...

Reaction Kinetics and Combustion Dynamics of I4O9 and Aluminum Mixtures

Tetraiodine nonoxide (I4O9) has been synthesized using a dry approach that combines elemental oxygen and iodine without the introduction of hydrated species. The synthesis approach inhibits the topochemical effect promoting rapid hydration when exposed to the relative humidity of ambient air. This stable, amorphous, nano-particle material was analyzed using differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA) and showed an exothermic energy release at low temperature (i.e., 180 &#176;C) for the transformation of I4O9 into I2O5. This additional exothermic energy release contributes to an increase in overall reactivity of I4O9 when dry mixed with nano-aluminum (Al) powder, resulting in a minimum of 150% increase in flame speed compared to Al + I2O5. This study shows that as an oxidizer, I4O9 has more reactive potential than other forms of iodine(V) oxide when combined with Al, especially if I4O9 can be passivated to inhibit absorption of water from its surrounding environment.

Reaction Kinetics and Combustion Dynamics of I4O9 and Aluminum Mixtures

A protocol for measuring flame speeds of a reactive mixture composed of tetraiodine nonoxide (I4O9) and aluminum (Al) is presented. A method for resolving reaction kinetics using differential scanning calorimetry (DSC) is also presented. It was found that I4O9 is 150% more reactive than other iodine(V) oxides.

반응 속도와 I의 연소 역학<sub&gt; 4</sub&gt; O<sub&gt; 9</sub&gt; 및 알루미늄 혼합물

Tetraiodine nonoxide (I4O9) has been synthesized using a dry approach that combines elemental oxygen and iodine without the introduction of hydrated ...

Quantitative Analysis by Thermogravimetry-Mass Spectrum Analysis for Reactions with Evolved Gases

During energy conversion, material production, and metallurgy processes, reactions often have the features of unsteadiness, multistep, and multi-intermediates. Thermogravimetry-mass spectrum (TG-MS) is seen as a powerful tool to study reaction features. However, reaction details and reaction mechanics have not been effectively obtained directly from the ion current of TG-MS. Here, we provide a method of an equivalent characteristic spectrum analysis (ECSA) for analyzing the mass spectrum and giving the mass flow rate of reaction gases as precise as possible. The ECSA can effectively separate overlapping ion peaks and then eliminate the mass discrimination and temperature-dependent effect. Two example experiments are presented: (1) the decomposition of CaCO3 with evolved gas of CO2 and the decomposition of hydromagnesite with evolved gas of CO2 and H2O, to evaluate the ECSA on single-component system measurement and (2) the thermal pyrolysis of Zhundong coal with evolved gases of inorganic gases CO, H2, and CO2, and organic gases C2H4, C2H6, C3H8, C6H14, etc., to evaluate the ECSA on multi-component system measurement. Based on the successful calibration of the characteristic spectrum and relative sensitivity of specific gas and the ECSA on mass spectrum, we demonstrate that the ECSA accurately gives the mass flow rates of each evolved gas, including organic or inorganic gases, for not only single but multi-component reactions, which cannot be implemented by the traditional measurements.

Precise determination of the evolved gases&#39; flow rate is key to study the details of reactions. We provide a novel quantitative analysis method of equivalent characteristic spectrum analysis for thermogravimetry-mass spectrum analysis by establishing the calibration system of the characteristic spectrum and relative sensitivity, for obtaining the flow rate.

Thermogravimetry 질량 스펙트럼 분석 진화 가스와 반응에 대 한 정량 분석

During energy conversion, material production, and metallurgy processes, reactions often have the features of unsteadiness, multistep, and ...

Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species in the ppm-to-single-percent range. The main purpose of the method is the spatially resolved detection of low-concentration species, which have no transitions in the visible or near-IR spectral range that could be used for detection. IR-DFWM is a nonintrusive method, which is a great advantage in combustion research, as inserting a probe into a flame can change it drastically. The IR-DFWM is combined with upconversion detection. This detection scheme uses sum-frequency generation to move the IR-DFWM signal from the mid-IR to the near-IR region, to take advantage of the superior noise characteristics of silicon-based detectors. This process also rejects most of the thermal background radiation. The focus of the protocol presented here is on the proper alignment of the IR-DFWM optics and on how to align an intracavity upconversion detection system.

Here, we present a protocol to perform sensitive, spatially resolved gas spectroscopy in the mid-infrared region, using degenerate four-wave mixing combined with upconversion detection.

적외선 타락 한 4 웨이브 혼합 양적 가스 감지에 대 한 업 검출

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species ...

Nitrogen Compound Characterization in Fuels by Multidimensional Gas Chromatography

Certain nitrogen-containing compounds can contribute to fuel instability during storage. Hence, detection and characterization of these compounds is crucial. There are significant challenges to overcome when measuring trace compounds in a complex matrix such as fuels. Background interferences and matrix effects can create limitations to routine analytical instrumentation, such as GC-MS. In order to facilitate specific and quantitative measurements of trace nitrogen compounds in fuels, a nitrogen-specific detector is ideal. In this method, a nitrogen chemiluminescence detector (NCD) is used to detect nitrogen compounds in fuels. NCD utilizes a nitrogen-specific reaction that does not involve the hydrocarbon background. Two-dimensional (GCxGC) gas chromatography is a powerful characterization technique as it provides superior separation capabilities to one-dimensional gas chromatography methods. When GCxGC is paired with a NCD, the problematic nitrogen compounds found in fuels can be extensively characterized without background interference. The method presented in this manuscript details the process for measuring different nitrogen-containing compound classes in fuels with little sample preparation. Overall, this GCxGC-NCD method has been shown to be a valuable tool to enhance the understanding of the chemical composition of nitrogen-containing compounds in fuels and their impact on fuel stability. The % RSD for this method is &#60;5% for intraday and &#60;10% for interday analyses; the LOD is 1.7 ppm and the LOQ is 5.5 ppm.

Here, we present a method utilizing two-dimensional gas chromatography and nitrogen chemiluminescence detection (GCxGC-NCD) to extensively characterize the different classes of nitrogen-containing compounds in diesel and jet fuels.

Certain nitrogen-containing compounds can contribute to fuel instability during storage. Hence, detection and characterization of these compounds is ...

Flame Photometry: Overview

Flame photometry, also known as flame emission spectrometry, is a technique used for the qualitative and quantitative analysis of elements present in a sample using a flame as the source of excitation energy. The concept of flame photometry was realized in the early 1860s by Kirchhoff and Bunsen, who discovered that specific elements emit characteristic radiation when excited in flames. The first instrument developed for this purpose was used to measure sodium (Na) in plant ash using a Bunsen flame. However, the challenge lay in finding the most effective way to introduce the sample into the flame. It wasn&#39;t until 1929, when Lundegardh introduced a nebulizer, that a significant breakthrough was made, allowing a reproducible introduction of the sample into the flame.
In flame emission spectrometry, the nebulizer converts a liquid sample into a fine mist or aerosol. This is achieved by passing a high-pressure gas stream over the end of a capillary tube containing the sample and aspirating it into a spray chamber. The aerosol produced is then passed to the burner, where flame heat desolvates it, forming dry particles that volatilize and produce free atoms for analysis.
Early instruments utilized quartz prism spectrographs and photographic recording to disperse and capture atomic emission lines. However, advancements in optical filters and electrical photodetectors replaced these components, improving precision and convenience.
Flame photometry involves introducing the sample solution into a nebulizer, which converts it into a fine mist or aerosol. The atomized sample then enters the flame, along with air or oxygen and a fuel gas such as propane or acetylene. The flame provides the thermal excitation necessary to energize the atoms in the sample. As these excited atoms relax, their emitted radiation is detected by a photocell or photomultiplier.
Flame photometry is particularly effective in measuring sodium, potassium, lithium, and calcium elements. The flame used in flame photometry is typically a propane-air flame with a temperature range of 1900-2000 &#176;C, although alternative flames like butane-air or natural gas-air can also be used. Flame photometry has some limitations that can be overcome by using higher temperatures and more reducing flames, such as air-acetylene, along with higher-resolution spectrometric detection. However, these approaches are not cost-competitive compared to the more broadly applicable flame atomic absorption spectrometry or AAS technique.

Flame Photometry: 개요

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