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Temperature dependence of heterogeneous nucleation

Pichelstorfer, Lukas (2010) Temperature dependence of heterogeneous nucleation.
Diplomarbeit, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Wagner, Paul

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DOI: 10.25365/thesis.10622
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29840.90735.503354-8

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Abstract in English

In this work the temperature dependence of heterogeneous nucleation of n-nonane vapor on sodium chloride seed particles was investigated. Nucleation is a statistical process of particle production from the vapor phase. In the case of heterogeneous nucleation the particles do not form spontaneously from the vapor phase but with help of a so-called seed particle. Previous experiments by Schobesberger focusing on the temperature dependence of the process have shown a temperature trend opposite to the one predicted by the Kelvin equation and the Fletcher theory. For higher temperatures the Kelvin equation predicts activation of the seed particles at lower vapor saturation ratios. To find out whether the above mentioned opposite temperature trend is due to some strange behavior of the seed particles or maybe based on electrostatic interaction (Schobesberger used n-propanol and sodium chloride which both are polar substances) a nonpolar liquid was chosen. The experiments were carried out by evaporating the working fluid, mixing it with nearly monodisperse NaCl particles, passing the particle-vapor mixture on into a cylindrical measurement chamber which was connected to a vessel kept at lower pressure. Connecting the chamber to the vessel results in an adiabatic pressure drop within the chamber leading to a higher saturation ratio. If the saturation ratio is high enough liquid droplets will form on the seed particle surface. This process was observed by laser light scattering. The vapor was produced by passing n-nonane liquid through a micro orifice. The liquid beam, which was generated this way, was evaporated in a heated glass cylinder. For seed particle production in the nanometer size range the sodium chloride was placed in a tube furnace. Heating it up to about 630°C causes a considerable amount of salt molecules to leave the bulk crystal and form a broad particle size distribution. With help of an electrostatic classifier an almost monodisperse fraction was cut out of the particle distribution. The particles classified that way were mixed with the vapor and passed on to the the Size Analyzing Nucleus Counter (SANC). The aerosol production is sensetively dependent on the mass flows. Small uncertainties in the liquid or the gas mass flow may have great influence on the nucleation process. The SANC is a process controlled measurement system, where an adiabatic pressure drop takes place within the measurement chamber. Simultaneously pressure, temperature and scattered as well as transmitted light are recorded. Measurement of pressure and temperature combined with the knowledge of the liquid and gas mass flows allows to determine the saturation rationafter the pressure drop. Scattered and transmitted light measurement is used to determine the particle growth and concentration using the Constant Angle Mie Scattering (CAMS) method. The latter is based on the Mie theory which describes the scattering of light by spherical particles of known refractive index. Comparing droplet growth calculations to the experimental droplet growth provides information on the significance of the experiment. In the present experiments the number of activated seed particles was measured. Due to nucleation critical clusters are formed at the surface of the seed particles. Subsequently, the seed particles grow by condensation to visible sizes. The higher the saturation ratio is the higher the number of activated particles. As the number of seed particles is finite total particle activation will occur above a certain saturation ratio. The ratio of activated over total particle concentration defines the activation probability. The aim of the measurements was to determine the dependence of activation probability on the saturation ratio which is also referred to as activation probability curve. Much effort was put on the attempt to measure the activation probability curves at constant temperature as it forms a basis for further evaluations. Activation probability curves were determined for three different seed particle diameters (7nm, 10nm and 15nm) and temperatures (-10°C, 0°C and +10°C). Since these curves are quite steep it is easy to determine the onset saturation ratio, at which 50% of all particles are activated. The experimentally determined onset saturation ratios for a given particle size did not show a clear temperature trend whereas theoretical calculations based on the classical nucleation theory predict smaller onset saturation ratios for higher temperatures. Furthermore, experimental onset saturation ratios appear to be much smaller than the theoretical ones. Possible reasons could be the so-called line tension or the surface diffusion concept which both are not considered in the classical nucleation theory. The Kelvin equation that does not depend on concepts like line tension predicts the saturation ratio at which a cluster of given size is in thermodynamic equilibrium with the surrounding gas. It predicts a temperature trend which was also found by evaluating the experimental data of this work. These observations seem to suggest that the classical nucleation theory does not consider all processes that play a role in heterogeneous nucleation.

Schlagwörter in Englisch

nucleation / critical radius / saturation ratio / temperature

Abstract in German

In dieser Arbeit wurde die Temperaturabhängigkeit der Nukleation von n-Nonan Dampf an Natriumchlorid Teilchen untersucht. Nukleation ist ein statistischer Prozess, bei dem Teilchen aus der Dampfphase gebildet werden. Im Fall der heterogenen Nukleation bilden sich die Teilchen nicht spontan aus der Dampfphase, sondern mit Hilfe von sogenannten Kondensationskernen. Vorangegangene Experimente, durchgeführt von Schobesberger, welche sich auf die Temperaturabhängigkeit des Prozesses konzentriert haben, zeigten einen Temperaturtrend, der sowohl der Kelvin- als auch der Fletchertheorie widersprach. Die Aktivierung der Kondensationskerne findet laut Theorie für höhere Temperaturen bei niedrigeren Sättigungsverhältnissen statt. Um herauszufinden, ob dieser umgekehrte Temperaturtrend ein kochsalzspezifischer Effekt ist, oder ob er auf elektrostatischer Wechselwirkung zwischen den Kondensationskernen und dem Dampf beruht (Schobesberger verwendete n-Propanol und Kochsalz, die beide polare Substanzen sind), wurde für diese Arbeit eine nicht polare Flüssigkeit verwendet. Bei der Durchführung der Experimente wurde das n-Nonan verdampft, mit nahezu monodispersen NaCl Teilchen gemischt und in eine zylindrische Messkammer geleitet, welche durch ein Magnetventil mit einem Unterdruckbehälter verbunden war. Durch öffnen des Magnetventils wurde in der Messkammer ein adiabatischer Druckabfall erzeugt, der zu einem Anstieg des Sättigungsverhältnisses führte. Für ausreichend große Sättigungsverhältnisse bildeten sich n-Nonan Tröpfchen an den Kondensationskernen. Dieser Vorgang wurde mit Hilfe von monochromatischer Lichtstreuung untersucht. Der Dampf wurde erzeugt, indem n-Nonan durch eine Mikrodüse geleitet wurde. Der auf diese Weise generierte Flüssigkeitsstrahl verdampfte in einem erhitzten Glaszylinder. Um die Nukleationskeime in der Größenordnung von einigen Nanometern zu erzeugen wurde Kochsalz in einem Rohrofen auf ca. 630°C erhitzt, was zur Folge hatte, dass eine nicht unwesentliche Anzahl von NaCl Molekülen den Kristall verließen und eine breite Teilchenverteilung bildeten. Ein Elektrostatischer Klassifikator diente dazu, eine beinahe monodisperse Fraktion aus der Teilchenverteilung zu extrahieren. Die auf diese Weise klassifizierten Teilchen wurden mit dem Dampf vermischt und in den Size Analyzing Nucleus Counter (SANC) geleitet. Die Aerosolgenerierung ist empfindlich gegenüber Veränderungen der Masseflüsse. Kleine Schwankungen in Flüssigkeits- und Gasmasseflüssen können einen großen Einfluss auf den Nukleationsprozess haben. Der SANC ist ein prozessgesteuertes Messsystem, in dessen Messkammer eine adiabatische Expansion stattfindet, wobei gleichzeitig Druck, Temperatur, gestreutes und transmittiertes Licht gemessen werden. Sind Temperatur, Druckabfall und die genannten Masseflüsse bekannt, kann damit das Sättigungsverhältnis nach der Expansion berechnet werden. Die Messung von gestreutem und transmittiertem Licht kann, unter Verwendung der Constant Angle Mie Scattering (CAMS) Methode, welche auf der mathematischen Beschreibung der Streuung von ebenen Wellen an Sphären basiert, herangezogen werden, um Teilchenwachstum und Konzentration zu ermitteln. Der Vergleich von berechneten Wachstumskurven mit den experimentell ermittelten lässt auf die Aussagekraft des Experiments schließen. In dieser Arbeit wurden Anzahlkonzentrationen aktivierter Teilchen gemessen. Durch Nukleation bildeten sich kritische Cluster an der Oberfläche der NaCl Teilchen, die in der Folge durch Kondensation zu sichtbarer Größe anwuchsen. Je größer das Sättigungsverhältnis ist, umso höher die Anzahl der aktivierten Teilchen. Da die Teilchenzahl in der Messkammer endlich ist, tritt ab einem gewissen Sättigungsverhältnis totale Aktivierung auf. Das Verhältnis von aktivierten zur gesamten Teilchenzahl wird als Aktivierungswahrscheinlichkeit bezeichnet. Die Abhängigkeit der Aktivierung des Sättigungsverhältnisses bei konstanter Temperatur darzustellen, war das Ziel der Messungen. Sie bildet den Ausgangspunkt für weitere Auswertungen der Daten. Aktivierungswahrscheinlichkeitskurven wurden für drei verschiedene NaCl Teilchengrößen (7nm, 10nm und 15nm) und Temperaturen (-10oC, 0oC und +10oC) ermittelt. Da diese Kurven sehr steil sind, war es vergleichsweise einfach jenes Sättigungsverhältnis zu ermitteln, bei dem 50% aller Teilchen aktiviert wurden, das sogenannte Onset Sättigungsverhältnis. Dieses zeigte, entgegen der theoretischen Vorhersage, basierend auf der klassischen Nukleationstheorie, keinen eindeutigen Temperaturtrend. Die Theorie sagt für größere Temperaturen kleinere Onset Sättigungsverhältnisse vorher, zudem waren die experimentell ermittelten Onset Sättigungsverhältnisse deutlich kleiner als die berechneten. Eine mögliche Erklärung dafür könnte die sogenannte Line Tension oder das Surface Diffusion Modell bieten, welche in der klassischen Nukleationstheorie vernachlässigt werden. Die Kelvin Gleichung gibt jene Oberflächenkrümmung eines Tröpfchens an, bei der dieses sich im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung befindet. Sie gibt einen Temperaturtrend vor, welcher auch experimentell gefunden werden konnte. Diese Untersuchungen legen nahe, dass die klassische Nukleationstheorie nicht alle Prozesse berücksichtigt, die zur Nukleation beitragen.

Schlagwörter in Deutsch

Nukleation / kritischer Radius / Sättigungsverhältnis / Temperatur

Item Type: Hochschulschrift (Diplomarbeit)
Author: Pichelstorfer, Lukas
Title: Temperature dependence of heterogeneous nucleation
Subtitle: experiments on polar seed particles and nonpolar vapor
Umfangsangabe: 112 S. : graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Publication year: 2010
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Wagner, Paul
Assessor: Wagner, Paul
Classification: 33 Physik > 33.99 Physik: Sonstiges
AC Number: AC08290397
Item ID: 10622
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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