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Studio, realizzazione e validazione di un sistema di spettroscopia cavity ring down absorption per l’analisi del particolato nei gas di scarico

Informazioni tesi

  Autore: Tommaso Maiullaro
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2012-13
  Università: Università degli Studi di Bari
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Scienze e tecnologie fisiche
  Relatore: Pietro Mario Lugarà
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 60

Il presente lavoro di tesi, riguardante lo studio, la progettazione e la validazione di un sistema sperimentale per spettroscopia Cavity Ring Down Absorption per l’analisi di aerosol diluiti, è stato realizzato presso i laboratori dell’Istituto Motori del CNR di Napoli.
In considerazione dei limiti normativi sulle emissioni sempre più stringenti, la ricerca sulle emissioni inquinanti dei motori a combustione interna si sta orientando sempre più sullo studio e sulla caratterizzazione delle bassissime quantità di particolato emesso allo scarico dei moderni motori in termini di concentrazione in massa, dimensioni, concentrazione numerica e morfologia.
Nonostante le basse concentrazioni di particolato emesso da parte dei motori, gli effetti sulla salute umana di queste nanoparticelle sono altamente deleteri.
Proprio in virtù delle dimensioni nanoscopiche, che non permettono un completo filtraggio delle stesse con filtri ad intrappolamento, le particelle di soot riescono a penetrare in profondità nelle vie respiratorie, portando assieme a loro un grandissimo numero di sostanze organiche, in particolare policiclici aromatici, altamente dannose.
In quest’ottica, i limiti riguardo alla risposta temporale e alla minima concentrazione rivelabile, legati agli strumenti di misura di tipo tradizionale, possono essere superati grazie a tecniche di diagnostica ottica, come Laser Light Scattering (LLS), Laser Induced Incandescence (LII) e spettroscopia Cavity Ring Down Absorption (CRDA).
La spettroscopia CRDA sfrutta le proprietà di una cavità ottica risonante. Questa è descrivibile come una regione dello spazio, delimitata da delle superfici riflettenti, nella quale un fascio di luce può essere confinato.
A causa della non idealità degli specchi, ad ogni passaggio in cavità, una parte dell’intensità luminosa riesce ad emergere ed abbandona il sistema, secondo una legge temporale che segue l’andamento di una curva esponenziale decrescente.
Se nella cavità è presente un mezzo assorbente, la rapidità nel decadimento dell’intensità luminosa aumenta.
Proprio l’analisi della differenza tra le costanti di tempo delle diverse curve permette la misura delle capacità di assorbimento e di scattering del mezzo in esame, sintetizzate dal coefficiente di estinzione α_ext (v).
Nei laboratori dell’Istituto Motori, dunque, è stato progettato e realizzato il sistema di diagnostica ottica, basato sulla tecnica CRDA, per la caratterizzazione del particolato.
Il sistema si basa, fondamentalmente, su di una sorgente laser impulsata a 532 nm e a due specchi ad altissima riflettività (99.997%), realizzati appositamente per applicazioni di CRDA.
Per la validazione del sistema sono state effettuate misure di estinzione ottica di un aerosol diluito contenente nanoparticelle di carbone di diametro inferiore a a 50 nm.

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5 IL PROCESSO DI COMBUSTIONE NEI MOTORI INTRODUZIONE La combustione è un complesso processo di natura fisica e chimica, attraverso il quale un combustibile viene ossidato, liberando, nel corso della reazione, calore. Il suo inizio, sviluppo e completamento dipendono dalle caratteristiche e dalla velocità delle reazioni chimiche, dalle condizioni di trasporto di massa e di energia che si verificano nella zona di reazione e dallo scambio di calore con l'ambiente circostante. VELOCITÀ E CARATTERISTICHE DELLA COMBUSTIONE La velocità di combustione, ossia la rapidità con cui avvengono le reazioni di ossidazione del combustibile, può essere misurata dalla velocità con cui variano le concentrazioni dei reagenti iniziali (combustibile e ossigeno) o dei prodotti di ossidazione. Poiché le reazioni di ossidazione avvengono in fase gassosa, la velocità di combustione è massima quando il combustibile è vaporizzato e le sue molecole sono uniformemente distribuite tra quelle di ossigeno (combustione in fase premiscelata) [1]. NeI caso di miscele gassose eterogenee, la velocità di combustione ad alta temperatura è principalmente determinata dalla rapidità di diffusione del combustibile nell'aria, poiché le reazioni di ossidazione avvengono con una velocità molto superiore. Analogamente, quando è presente una fase liquida, la rapidità del processo è limitata dalla velocità di evaporazione del combustibile liquido e di miscelazione di tali vapori con l'aria (combustione diffusiva) [2]. In genere le reazioni di ossidazione avvengono in più stadi e sono del tipo a catena; in esse cioè il ruolo determinante è esercitato dai prodotti attivi intermedi (particelle con valenze libere: atomi o radicali) che si formano nel corso delle reazioni stesse. La sequenza effettiva delle varie trasformazioni, che portano all’ossidazione dei combustibili usati nei motori a combustione interna, è molto complessa (I’ordine di grandezza è quello delle centinaia di reazioni intermedie) e, per certi aspetti, non ancora completamente ed univocamente determinata [3].

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