Transcript CPC
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 4 SM Dkelvin 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 peE Fviscous drag Felectric Fviscous drag 3D p v C n p eC v Z p E 3D 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( 2VL 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