1 Poltossa vapautuvien metallien laserdiagnostiikka Rolf Hernberg, Albert Manninen, Tommi Kortelainen, Tapio Rantala Tampereen teknillinen yliopisto Fysiikan laitos
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
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 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
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
TTY:n fysiikan laitoksen aiempaa tutkimusta (2) 6 Cd (mg/nm3) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Cd measurement 0.1 0 16:33:28 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 Principle of Operation Nähdään: höyryfaasi pienet aerosolit (< 1µm)
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?
Termostatoitu fotoakustinen kammio 9 Uuni Huohotusputki Mikrofoni Suolahöyryä Suolanäyte Akustinen signaaliputki Aallonpituusviritettävä lasersäde
Mitattu fotoakustinen spektri: KCl-höyry 10 2 KCl, 750 C 1.5 PA signal a.u. 1 0.5 0-0.5 200 250 300 350 400 450 wavelength [nm]
Mitattu fotoakustinen spektri : PbCl 2 -höyry 11 2 1.5 PbCl 2 and KCl PbCl 2 KCl PA signal a.u. 1 0.5 0-0.5 200 250 300 350 400 450 wavelength [nm]
Teoreettisia ab initio-laskelmia 12 intensity a.u. 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 Monomer GGA HYB LDA intensity a.u. 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 Dimer GGA HYB LDA 0.02 0.05 PA signal a.u. 0 200 250 300 350 400 450 wavelength [nm] KCl, 750 C 2 1.5 1 0.5 0 intensity a.u. 2 x 105 1.5 1 0.5 0 200 250 300 350 400 450 Thin layer wavelength [nm] Bulk Seven Five Three Two -0.5 200 250 300 350 400 450 wavelength [nm] 0 100 150 200 250 300 350 400 450 wavelength [nm]
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 Ajatuksia jatkosta Herkkyyden määrittäminen höyryfaasimittaukselle Mittauksia muilla alkali- ja raskasmetalliyhdisteillä Vertailu: molekyylien vs. atomien mittaaminen
15 Kiitosmaininnat Kokeellisen työn rahoitus: ChemCom-projekti, TTY Teoreettisen työn rahoitus: Magnus Ehrnroothin säätiö