Integrated Study of Nanopowder Synthesis and Pollutant Control using Electrically-Assisted Combustion
电辅助燃烧纳米粉体合成与污染物控制综合研究
基本信息
- 批准号:0325057
- 负责人:
- 金额:$ 32.25万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Continuing Grant
- 财政年份:2003
- 资助国家:美国
- 起止时间:2003-09-01 至 2007-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
The objective of this work is fundamental understanding of the mechanisms of particle formation, growth, and aggregation in combustion systems subjected to external electric fields and utilization of that understanding to define process conditions that enable both high-rate deposition of non-agglomerated nanopowders and control of pollutant particulate emissions. The ceramic nanopowders investigated Initially are silica (SiO2), titania (TiO2), alumina (Al2O3) and zirconia (ZrO2) using highly volatile precursors. The pollutant particulates investigated are soot and particulates containing toxic metals such as lead (Pb) and chromium (Cr). The consolidated research program deals with the effects of applying electric fields on formation of solid particles in flames and addresses concurrently issues in both materials synthesis and environmental engineering. Experiments are conducted in aerodynamically simple flow fields, i.e. flat-flame stagnation-point (premixed) and flat-flame counterflow (non-premixed), to characterize the effects of electric field and of other controllable process parameters (including pressure) on chemical composition, primary particle size, crystallinity, and degree of agglomeration. The use of multiple precursors to produce doped, coated, or mixed nanocyrstalline nanoparticlesis investigated. The characteristics of film deposition in an electric field are examined with respect to composition, morphology, deposition patterns, and sintering. Advanced laser diagnostics, electron microscopy, and X-ray diffraction are utilized to model and analyze the effects of flame structure (due to process inputs) on particle evolution. A computational model incorporating detailed gas-phase chemical kinetics and transport (including electric field effects) is developed along with models for particle formation, growth, and aggregation. Broader impact Among the processes that have been demonstrated for flame synthesis of nanopowders, the approach of applying electric fields is one of the most promising in terms of precise control of primary particle size, crystallinity, and aggregate size. The same methodology can be used for the control of particulate emissions from combustion systems used for power generation and incineration. The research and experimental facility are incorporated into the new curriculum onnanomaterials science and engineering being offered as a joint program between several departments and into the graduate curriculum on advanced experimental methods. The involvement of underrepresented minorities and women in engineering is increased by supporting undergraduate research as part of the Douglass Project for Rutgers Women in Math,Science, and Engineering. The training of students (at high school, undergraduate, and graduate levels) for the high-technology workforce is promoted by partnering with industry, state, and the Center for Nanomaterials Research..
这项工作的目的是从根本上了解燃烧系统中受到外部电场影响的颗粒形成、生长和聚集的机制,并利用这种理解来定义能够实现非团聚纳米粉末的高速沉积和控制的工艺条件。污染物颗粒物排放量。 最初研究的陶瓷纳米粉末是使用高挥发性前体的二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化锆(ZrO2)。 调查的污染物颗粒物是烟灰和含有铅(Pb)和铬(Cr)等有毒金属的颗粒物。 该综合研究计划涉及应用电场对火焰中固体颗粒形成的影响,并同时解决材料合成和环境工程中的问题。 实验在空气动力学简单流场中进行,即平焰驻点(预混)和平焰逆流(非预混),以表征电场和其他可控过程参数(包括压力)对化学成分的影响、初级粒径、结晶度和附聚程度。 研究了使用多种前体来生产掺杂、涂覆或混合的纳米晶体纳米颗粒。 研究了电场中薄膜沉积的成分、形态、沉积图案和烧结的特性。 利用先进的激光诊断、电子显微镜和 X 射线衍射来建模和分析火焰结构(由于过程输入)对颗粒演化的影响。 结合详细的气相化学动力学和传输(包括电场效应)的计算模型与颗粒形成、生长和聚集的模型一起开发。更广泛的影响 在已被证明的纳米粉末火焰合成工艺中,施加电场的方法是在精确控制初级颗粒尺寸、结晶度和聚集体尺寸方面最有前途的方法之一。 相同的方法可用于控制发电和焚烧燃烧系统的颗粒物排放。 研究和实验设施被纳入纳米材料科学与工程新课程(作为多个系之间的联合项目)以及高级实验方法研究生课程中。 作为罗格斯大学数学、科学和工程领域女性道格拉斯项目的一部分,通过支持本科生研究,增加了代表性不足的少数族裔和女性对工程的参与。 通过与行业、国家和纳米材料研究中心合作,促进对高科技劳动力学生(高中、本科和研究生)的培训。
项目成果
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