Abstract
Soot particles generated by fossil fuel combustion normally have fractal morphology with aggregates consisting of small spherical particles. Thus, Rayleigh or Mie elastic light scattering theory is not feasible for determining the fractal properties of soot aggregates. This paper describes a detailed process for applying Rayleigh-Debye Gans (RDG) scattering theory to effectively extract the morphological properties of any nano-scale particles. The fractal geometry of soot aggregates produced from an isooctane diffusion flame was observed using ex situ transmission electron microscopy (TEM) after thermophoretic sampling. RDG scattering theory was then used to analyze their fractal morphology, and various properties were calculated, such as the diameter of individual soot particles, number density, and volume fraction. The results show indiscernible changes during the soot growth process, but a distinct decreasing trend was observed in the soot oxidation process. The fractal dimension of the soot aggregates was determined to be around 1.82, which is in good agreement with that produced for other types of fuel. Thus, it can be concluded that the value of the fractal dimension is independent of the fuel type.
화석 연료의 연소 과정에서 발생하는 그을음 입자의 형상은 작은 구형입자들이 군집체를 이루고 있는 프랙탈 형상을 하고 있기에 기존 Rayleigh나 Mie 탄성 광 산란 이론으로 분석하는 것에는 한계가 있다. 본 논문에서는 Rayleigh-Debye Gans(RDG) 산란 이론을 적용하여 프랙탈 차원을 가지는 미세 입자의 형상을 효과적으로 해석할 수 있는 과정을 자세히 묘사하였다. 이소옥탄 확산 화염에서 발생하는 그을음 입자를 열 영동 채취법을 이용하여 채집한 후, 투과전자현미경을 이용하여 그을음 입자의 형상을 관찰하였다. RDG 산란 이론을 적용하여, 그을음 입자의 프랙탈 형상을 조사 하였고, 그을음 개별 입자의 직경, 입자 수밀도 및 부피 분율을 산출하였다. 이러한 결과들은 그을음의 성장 과정에서는 뚜렷한 증감 경향을 보이진 않았으나, 그을음 산화 과정에선 전부 뚜렷하게 감소하는 경향을 보였다. 본 연구에서 RDG 산란 이론을 이용하여 도출한 그을음 군칩체의 프랙탈 차원은 약 1.82로 이는 기존의 유사연구 결과와 동일하며, 화석연료의 종류에 상관없이 생성된 모든 그을음 입자에 동일한 값을 갖는 것으로 사료된다.
