生物柴油的原料多元化，制备出的生物柴油理化特性也大不相同，因此其污染物排放特性需进一步研究。本文利用基于消光法标定的激光诱导炽光技术来测量一系列生物柴油的碳烟体积分数，以探究含氧生物燃料与传统柴油掺混后的基础碳烟排放特性。结果表明，纯含氧生物燃料的碳烟体积分数峰值较低，仅为传统柴油的7.1%~30.5%。碳烟的形成随着生物柴油掺混比例增加而呈下降趋势，与含氧燃料掺混传统柴油的碳烟排放特性一致，而不饱和度较高的生物燃料更倾向于更多的碳烟排放。生物柴油产生的粒径颗粒相对较小，比传统柴油小了大约9.5%~41.3%。碳烟颗粒物形貌方面，生物柴油与传统柴油均呈现出团簇结构，而高饱和度的生物柴油产生的碳烟颗粒粒径相对较大，但数量密度较低。

繁峙公主寺位于山西省五台山地区, 是明清时期集宗教场所与民众娱乐于一体的建筑遗存。 寺内壁画与彩塑绘制精巧, 尤其是大雄殿四壁壁画场面宏大, 构图严谨, 色彩鲜明, 是保存较为完整的明代水陆壁画精品。 目前公主寺壁画存在部分画面漫漶不清、 出现裂隙的情况, 通过实地考察与科技分析, 不仅可以揭示水陆壁画使用的原料和工艺, 也为日后开展修复材料的筛选与文物本体的保护工作提供一手资料。 研究运用显微镜观察(OM)、 拉曼光谱(RAM)、 红外光谱(FTIR)、 激光粒度分析(LPSA)、 X射线衍射(XRD)、 X射线荧光光谱法(XRF)、 扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)及热裂解气相色谱质谱分析(Py-GC/MS)等多种科技手段, 对公主寺壁画制作材料及工艺进行分析研究。 实验结果显示: 壁画使用传统工艺绘制, 以土坯砖墙作为支撑体, 地仗层分为粗泥层与细泥层, 再涂刷一层打底的白粉层, 最后绘颜料层。 支撑体、 地仗用土与当地土样的成分相似, 整体颗粒粒径分布均以粉粒为主, 细泥层砂粒含量较粗泥层偏高, 粗、 细泥层分别掺有麦秸、 麻纤维等加筋材料。 尤其是通过红外光谱分析发现白粉层材料为高岭土； 应用拉曼光谱结合SEM-EDS分析确定了壁画所用的颜料, 蓝色为蓝铜矿(2CuCO3·Cu(OH)2), 白色为铅白(2PbCO3·Pb(OH)2), 绿色为人造氯铜矿、 羟氯铜矿(Cu2(OH)3Cl), 红色、 黄色与粉色颜料的显色物质为朱砂(HgS)、 铁红(Fe2O3)、 铁黄(FeO(OH))、 铅丹(Pb3O4)与铅白, 存在混合颜料进行调色的现象； 另外, 应用热裂解气相色谱质谱分析进一步辨别黑色颜料, 根据多环芳烃的相对含量对比结果与检出的松科类植物燃烧产物, 判断其为松烟墨, 同时确定了壁画绘制添加的胶结材料为动物胶。 该结果为公主寺壁画艺术研究提供更多原始信息, 丰富了对明代山西水陆壁画制作材料与工艺的科学认知。

碳烟主要是烃类燃料不完全燃烧生成的产物, 其对人类健康、 空气质量以及燃烧装置的使用寿命都会产生有害影响。 碳烟生成是一个复杂的物理化学过程, 控制碳烟排放, 需要克服碳烟生成和燃烧过程中物理和化学演化的巨大差异, 这些差异表现为对碳烟纳观结构和表面官能团随碳烟氧化活性反应变化的深入探索研究。 近些年, 研究人员对碳烟的生成机理开展了系列研究, 对碳烟生成各个物理化学反应阶段有了一定认识。 结合光谱诊断技术可深入了解燃烧系统碳烟形成过程, 确定碳烟颗粒分子组成、 精细结构、 浓度分布等特征, 也可从碳烟结构变化、 黑体辐射强度等方面详细了解碳烟形成过程。 该文旨在阐述光谱诊断技术对烃类火焰碳烟表征的研究进展和发展趋势, 探讨LIBS, LII和LIF等作为诊断工具在包含背景辐射的火焰中检测碳烟生成过程产生辐射强度准确性等问题。 主要介绍了烃类火焰碳烟的形成机理(从前驱体产生、 生长到颗粒生成、 凝聚, 最后进行颗粒氧化)。 总结了探测碳烟性质光谱诊断方法的应用以及光谱诊断技术对燃烧过程中碳烟表征的研究现状, 包括对碳烟体积分数、 温度和基于图像处理的碳烟结构表征, 反应碳烟前驱体(多环芳烃)、 反应气氛、 温度等对碳烟颗粒物生成的影响。 最后, 对光谱诊断方法在碳烟中的应用进行展望。 未来光谱诊断方法将会呈现对碳烟生成化学反应机理进行更细致准确的研究、 降低不均匀碳烟对火焰图像造成影响、 优化光谱诊断测量方法对火焰中多种气体组分及生成碳烟浓度进行同时采集和实时在线监测等发展趋势。 光谱诊断方法和图像分析在均相燃烧火焰碳烟中的分析将为推动清洁燃烧和为非均相流动领域研究提供思路并具有重要的科学指导意义。

为构筑高效纸型催化剂用于碳烟消除, 如何设计不同活性基元并实现与基体纤维的协同效应非常重要。通过静电纺丝法制备了一系列La1-xKxMnO3(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)纳米纤维催化剂, 并以其为基元制备了纸型催化剂用于碳烟催化消除。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱以及程序升温还原等表征手段分析了纳米纤维催化剂中离子掺杂导致活性变化的原因, 并进行了碳烟氧化性能评价。结果表明: 所有的纳米纤维催化剂均呈现单一的钙钛矿结构, 当x≥0.3时, 样品中出现新相K2Mn4O8。样品中活性氧的数量是由K+置换La3+和Mn3+→Mn4+ 2个方面因素造成的。A位离子的置换增加了体系中氧缺陷程度, 但是高含量K的引入引发新相的形成, 使得体系中Mn3+→Mn4+开始占据主导地位, 氧空位数量逐渐增加。样品La0.6K0.4MnO3具有最佳的催化活性, 其T50为347 ℃。将纳米纤维与莫来石纤维按1:1比例制备的纸型催化剂活性最佳, T50为478 ℃。

针对具有不同粒子数量的煤烟气溶胶,使用团簇-团簇凝聚(CCA)模型形成4球、16球凝聚模型,并结合单个气溶胶粒子的吸湿性以及凝聚粒子的分形理论,生成了包覆水层的凝聚粒子模型。利用离散偶极子近似(DDA)方法仿真分析包覆水层的煤烟气溶胶的散射特性,仿真结果表明,相对湿度的增大对回转半径≤40 nm的凝聚粒子的消光因子、散射因子和吸收因子的影响最大。使用无线紫外光单次散射脉冲响应模型分析了凝聚粒子以及相对湿度对紫外光脉冲响应和路径损耗的影响,仿真结果表明,凝聚粒子和相对湿度对紫外光的通信影响集中在半径较小(r₀≤40 nm)的单体粒子上。当单体粒子半径一定时,组成凝聚体的粒子数量越大或者凝聚粒子相对湿度越大,脉冲响应就越大,路径损耗越小,紫外光接收端信号越好。

为了研究煤烟凝聚粒子对量子卫星通信性能的影响,根据煤烟凝聚粒子等效模型对粒子消光特性进行分析,结合粒子质量浓度转换公式建立传输距离、粒子数浓度与链路衰减、振幅阻尼信道容量、纠缠保真度和信道误码率之间的关系并进行仿真。仿真结果表明,当传输距离为2 km时,煤烟凝聚粒子数浓度从2.22×10 12 m -3增加到1.11×10 13 m -3,链路衰减从0.40 dB增加到2.47 dB,振幅阻尼信道容量和纠缠保真度均有不同程度的下降,信道误码率从0.0056增加到0.0067。由此可见,煤烟凝聚粒子对量子卫星通信的性能有显著影响。因此,为了在实际信息传输过程中提高系统可靠性,应对量子通信系统的各项参数进行适当的调整,以适应煤烟环境对量子卫星通信产生的不同程度的影响。

采用烟尘的团簇-团簇凝聚模型和离散偶极子近似方法,分析了紫外光在不同烟尘浓度和粒子半径下的单次和多次散射信道特性,以及散射角对散射光强的影响。研究结果表明,在紫外光短距离直视通信方式下,当粒子半径相同时,随着烟尘浓度的增大,路径损耗不断增大,而当烟尘浓度一定时,路径损耗随着粒径的增大而增大;在紫外光非直视通信方式下,短距离时烟尘浓度及原始半径越大,散射信道路径损耗越小,而长距离通信时烟尘浓度越高,其路径损耗越大,但不同浓度下的路径损耗的差别较小。在多次散射情况下,散射光强随着散射角的增大而减小,而当散射角相同时,烟尘浓度越高,紫外光的散射光强越大。

采用激光诱导炽光和激光诱导荧光技术研究了燃料种类对碳烟演变过程的影响。以CH₄、C₂H₄、C₃H₈的扩散火焰为研究对象,测量了碳烟的体积分数、粒径、颗粒数浓度以及多环芳烃相对浓度的二维分布。结果表明: CH₄、C₂H₄、C₃H₈火焰的碳转化因子分别为0.0058、0.144、0.043;碳烟颗粒的平均粒径为9.2,20.8,14.7 nm,对应的颗粒数浓度分别为6.9×10 ²¹,8.7×10 ²¹,7.8×10 ²¹ m ^-3;对于含有较多碳原子或不饱和键的燃料,碳烟和环芳烃的生成演变过程更为迅速;比表面增长速率和生长时间的综合变化导致C₂H₄火焰中碳烟颗粒的粒径最大,C₃H₈次之,CH₄最小。