ESTUDIO NUMÉRICO DE LA INFLUENCIA DE LA DISPERSIÓN Y OVERLAPPING DE PARTÍCULAS PRIMARIAS EN LA MORFOLOGÍA DE AGREGADOS DE NANOPARTÍCULAS DE HOLLÍN

MORÁN COFRE, JOSÉ CARLOS (2017)

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Tesis Pregrado

El estudio de la morfología de partículas de hollín generadas por la quema de combustibles fósiles es devital importancia para el control de su generación tanto de forma deseada (por ejemplo para la fabricación demateriales como: neumáticos, tintas, coberturas, etc), como no deseada (por ejemplo partículas en suspensiónen grandes urbes que tienen efectos nocivos en la salud de las personas). La aglomeración de nanopartículaslleva a la formación de agregados, los cuales poseen una morfología difícil de describir de forma precisamediante el uso de Geometría Euclidiana. El uso de Geometría Fractal permitió una mejora considerableen la descripción matemática de la morfología de agregados de nanopartículas. Esto se ha logrado graciasa la aplicación de la técnica de muestreo termoforético seguida del uso de un microscopio de transmisiónelectrónica (TEM) para la obtención de imágenes digitales para la observación y análisis de estas partículas.Estudios experimentales de agregados de hollín han reportado la existencia de diversas características morfológicasdistintivas de este tipo de partículas, tales como: dispersión de tamaños y overlapping de partículasprimarias, dispersión de tamaño de agregados y número de monómeros.Mediante el uso de agregados fractales generados numéricamente el presente estudio investigó el efectode la dispersión de los tamaños de partículas primarias y el overlapping existente entre ellas en la morfologíade dichos agregados. Esto se llevó a cabo mediante la obtención de los parámetros fractales (dimensión fractaly pre-factor) que parametrizan la geometría de estos agregados, la obtención de la función de auto-correlaciónde densidad, la función de distribución del número de coordinación, el cálculo del coeficiente de anisotropía,el cálculo del largo máximo y el radio de giro de estos agregados. Además se desarrolló un análisis teóricodel efecto de la dispersión de tamaños de monómeros y su overlapping sobre la masa y área de los agregados.La masa y el área de los agregados se incrementa de forma monótona con el nivel de dispersión deltamaño de los monómeros. El tipo de distribución de tamaños de partículas primarias (normal o lognormal)limita el nivel de dispersión máximo que pueden explicar y por lo tanto su impacto en la morfología del agregado.La función de distribución del número de coordinación resultó ser afectada de forma considerable en suforma por el nivel de dispersión de tamaños de partículas primarias consistentes de distribución lognormal,también el coeficiente de anisotropía presentó una disminución al aumentar el grado de dispersión, mientrasque el radio de giro y el largo máximo no presentaron grandes variaciones. Para el caso de monómeros condispersión de tamaños normal no se encontraron grandes efectos en la morfología de los agregados parael rango de dispersión analizado. Por su parte la adición de overlapping de partículas primarias llevó a laobtención de agregados con morfologías altamente anisotrópicas y con un tamaño de agregado levementemayor.Por otro lado, dado el hecho de que estudios experimentales basados en el análisis de imágenes TEM’susualmente no toman en cuenta la dispersión de tamaños de partículas primarias ni su grado de overlapping,para cada condición estudiada se han obtenido imágenes TEM’s generadas numéricamente las cuales hansido analizadas mediante el uso de dos métodos de alto impacto en las comunidades científicas de estudio dela combustión y de la ciencia de aerosoles. Se encontró que el método de Tian et al. 2006 lleva a mejoresresultados en cuanto a la obtención del número de partículas primarias de un agregado, la dimensión fractaly el pre-factor comparado con el método de Brasil et al. 1999. En términos generales se encontró que elnivel de dispersión de tamaños de partículas primarias y su nivel de overlapping disminuyen levemente ladimensión fractal obtenida, mientras que incrementan de forma considerable el valor del pre-factor fractal.Variaciones menores al 10% en el ratio del largo máximo proyectado y el radio de giro del agregado fueronencontradas.

The agglomeration of nanoparticles lead to the formation of aggregates, which morphology is poorlydescribed by using Euclidean geometry. Fractal geometry in the other hand allows a quantitatively descriptionof the morphology of such aggregates. The experimental application of this geometry is carried out basedon the thermophoretic sampling technique with the subsequent transmission electron microscopy (TEM)generation of digital images. These studies have reported several morphological charasteristics of theseaggregates including: polydisperse sizes and overlapping of primary particles, polydispersity in aggregatessize and number of primary particles.The aggregates mass and area was found to increase monotonically with primary particles polydispersity,which was demonstrated analytically for aggregates consisting of a large number of primary particles. Thekind of primary particle size distribution studied (normal or lognormal) limit the maximum polydispersitylevel they can describe and therefore its eect on aggregates morphology. The shape of the coordinationnumber distribution function was found to be very sensible to the polydispersity level of monomers withlognormal PPSD, the anisotropy coecient declined steadily when increasing monomers polydispersity,meanwhile the radius of gyration did not change considerably. For monomers size distribution normal, noconsiderable eects on morphology were found for the range of polydispersity analyzed. In the other handlarge anisotropy coecients were found when adding overlapping to primary particles.Experimental studies of soot morphology based on analysis of TEM images usually neglect the potentialeects of primary particle polydispersity and overlapping. In this study, fractal aggregates of dierent sizesconsisting of polydisperse and overlapping primary particles were numerically generated using a fractaldimension and prefactor relevant to soot. A total of 3600 two-dimensional projections for each conditionstudied was produced and analyzed using two TEM image analysis methods commonly used in the combustionand aerosol communities to evaluate the eects of primary particle polydispersity and overlapping on therecovered morphological parameters of soot. The method of Tian et al. 2006 performs better in recovering thenumber of primary particles in an aggregate, the fractal dimension and prefactor than the method of Brasilet al. 1999. The eects of primary particle polydispersity and overlapping are found to decrease slightlythe derived fractal dimension and to increase the derived prefactor. Overall, the recovered fractal dimensiondisplays a weak dependence on primary particle polydispersity and overlapping.