Poltossa vapautuvien metallien laserdiagnostiikka

Transkriptio

1 1 Poltossa vapautuvien metallien laserdiagnostiikka Rolf Hernberg, Albert Manninen, Tommi Kortelainen, Tapio Rantala Tampereen teknillinen yliopisto Fysiikan laitos

2 Sisältö 2 Poltossa vapautuvat metallit Raskasmetallit Alkalimetallit TTY:ssä tehtyä aikaisempaa alan tutkimusta Plasmaviritteinen atomispektroskopia Aiheen tutkimus ChemCom-projektissa Lähtökohta: Metalliyhdisteiden fotoakustinen laserspektroskopia ChemCom-projektissa saadut tulokset Johtopäätökset ja ajatuksia jatkosta

3 Poltossa vapautuvat metallit: 1. Alkalimetallit 3 Lähinnä natrium ja kalium Suoloina (klorideja, sulfaatteja, silikaatteja) Yhdisteet korrosiivisia ja tahmeita Kaasuturbiinien siipien korroosio Liima-aineena kattiloiden likaantumisessa Ongelmat lähinnä prosessiteknisiä, ei ympäristöllisiä tai terveydellisiä

4 4 Poltossa vapautuvat metallit: 2. Raskasmetallit EU:n likainen tusina Sb+As+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+Pb+V Cd+Tl Hg Ympäristö- ja terveysvaikutukset 0,5 mg/m 3 n 0,05 mg/m 3 n 0,05 mg/m 3 n

5 TTY:n fysiikan laitoksen aiempaa tutkimusta (1) 5 On-line metal analyzer Two-colour particle pyrometer Simultaneous measurement of the temperature of burning copper concentrate particles and the amount of vaporized copper

6 TTY:n fysiikan laitoksen aiempaa tutkimusta (2) 6 Cd (mg/nm3) Cd measurement :33:28 Time 16:48:30 Detection limit (3σ) Cd+Tl päästöraja Cadmium concentration in the freeboard gas in co-combustion of biomass and plastic waste in a fluidized bed boiler

7 7 Principle of Operation Nähdään: höyryfaasi pienet aerosolit (< 1µm)

8 8 Metallidiagnostiikkatutkimus ChemComissa Tavoitteena aiempaa pehmeämpi mittaustapa atomien sijasta mitataan metalliyhdisteiden molekyylejä mittaus suoraan höyrynäytteestä, ei tarvetta molekyylien dissoisioimiseen (vrt. aiemman menetelmän plasma) periaatteessa yhdistespesifinen, aiempi metallispesifinen ajatus, että voitaisiin mitata myös aerosoleista menetelmänä fotoakustinen laserspektroskopia Mutta... toimiiko? mikä herkkyys voidaan saavuttaa?

9 Termostatoitu fotoakustinen kammio 9 Uuni Huohotusputki Mikrofoni Suolahöyryä Suolanäyte Akustinen signaaliputki Aallonpituusviritettävä lasersäde

10 Mitattu fotoakustinen spektri: KCl-höyry 10 2 KCl, 750 C 1.5 PA signal a.u wavelength [nm]

11 Mitattu fotoakustinen spektri : PbCl 2 -höyry PbCl 2 and KCl PbCl 2 KCl PA signal a.u wavelength [nm]

12 Teoreettisia ab initio-laskelmia 12 intensity a.u Monomer GGA HYB LDA intensity a.u Dimer GGA HYB LDA PA signal a.u wavelength [nm] KCl, 750 C intensity a.u. 2 x Thin layer wavelength [nm] Bulk Seven Five Three Two wavelength [nm] wavelength [nm]

13 Johtopäätöksiä 13 Demonstroitu kokeellisesti KCl- ja PbCl 2 - molekyylien havaitseminen höyryfaasista Ab initio fysikaalisilla laskentamenetelmillä saadut KCl:n monomeerin ja dimeerin spektrit suhteellisen hyvin yhteneviä koetulosten kanssa Laskenta ennustaa spektrien siirtyvän kauemmas uv:hen molekyylien polymeroituessa Tämän perusteella on epätodennäköistä, että aerosoleissa olevat metalliyhdisteet näkyisivät lähi-uv spektroskopialla

14 14 Ajatuksia jatkosta Herkkyyden määrittäminen höyryfaasimittaukselle Mittauksia muilla alkali- ja raskasmetalliyhdisteillä Vertailu: molekyylien vs. atomien mittaaminen

15 15 Kiitosmaininnat Kokeellisen työn rahoitus: ChemCom-projekti, TTY Teoreettisen työn rahoitus: Magnus Ehrnroothin säätiö