Theoretical and experimental investigation of the optoacoustic phenomenon in black carbon particles aiming to design a low-cost sensor

Abstract

The thesis explores the processes surrounding the formation, properties, and detection of Black Carbon (BC), with an emphasis on improving its measurement using innovative technologies. BC refers to carbonaceous particles formed during the incomplete combustion or pyrolysis of hydrocarbons. Its creation is affected by parameters such as flame temperature and the fuel type (especially for diffusion flames). BC plays a significant role in both climate dynamics and public health. The work investigates the underlying physics of BC particles with an emphasis on absorption, evaluates the limitations of current detection methods, and proposes advancements to address these gaps. The optical properties of BC are significant mainly due to their contribution to climate change. Its ability to uniformly absorb light across the visible and near-infrared spectrum distinguishes it from other particulate pollutants, which generally have a cooling effect on the climate due to light scattering. Its optical properties are quantified using metrics like the refractive index, Absorption Angstrom Exponent (AAE), and Single Scattering Albedo (SSA). Variations in these parameters arise from differences in particle size, composition, and coating, making accurate characterization critical for accurately estimating BC’s environmental impacts. Current technologies for BC detection span filter-based methods, optoacoustic techniques, and laser-induced incandescence. Filter-based instruments like aethalometers measure light attenuation on a filter tape but suffer from artifacts such as loading effects and sensitivity to light scattering. Optoacoustic devices, also referred to as PhotoAcoustics (PAS), eliminate scattering artifacts by directly correlating light absorption to sound generation. These systems, while accurate, are very expensive as they require high-energy lasers in addition to acoustic resonators and accurate sample conditioning for signal amplification. Laser-induced incandescence provides detailed insights into particle properties through high-energy excitation but has low potential for miniaturization and cost reduction. This thesis advances the field by designing an innovative optoacoustic (or photoacoustic) sensor optimized for cost-effective and artifact-free BC detection which is called a sound refocusing ellipsoid chamber (SREC). The sensor chamber leverages an ellipsoid geometry that focuses acoustic energy efficiently from one focal point to another without requiring resonators, amplifiers, or conditioning systems. Computational fluid dynamics (CFD) simulations validate the design's acoustic properties and robustness, showing it works well across various parameters like excitation volumes, modulation types, and flow conditions. A notable finding is that the SREC supports larger light beams, unlike traditional sensors, reducing the need for expensive optical setups. In addition, we show that the SREC can refocus multiple frequencies simultaneously, for example when a rectangular modulation pulse is used that generates acoustic waves at multiple frequencies. The results demonstrate that the SREC effectively balances cost, acoustic performance, and component protection and is suitable for a low-cost optoacoustic BC sensor. Then, the work of the thesis focuses on the development, testing, and refinement of the novel optoacoustic (OptA) sensor implementing the previously modelled SREC, designed to detect black carbon (BC) particles using a cost-effective approach. Initially, laboratory tests validated the sensor’s core principles, integrating the SREC to refocus sound and a Quartz Tuning Fork (QTF) as the sensitive and low-cost detector. The system’s capabilities were demonstrated using both high-performance and low-cost light sources, including overdriven laser diodes, to detect BC with high sensitivity under varied operational conditions. Lab tests compared the prototype with reference instruments, showing strong performance in measuring BC concentrations and rapid response to concentration fluctuations. The sensor was further evaluated in real-world scenarios during two on-board ship campaigns. It accurately measured BC emissions, correlating well with commercial instruments. However, the initial design faced challenges with background noise and frequent maintenance due to particle deposition. An improved sensor design was able to protect the chamber and reduce contamination, significantly lowering maintenance requirements. Laboratory tests of the updated design confirmed its effectiveness in maintaining a stable background signal over extended use. These advancements highlight the sensor's potential for implementation at many environmental monitoring and emission control applications, e.g. continuous on-board ship monitoring. Finally, the thesis suggests advancements in the development and application of optoacoustic sensor for detecting BC particles. It presents a new model to analyze the physical mechanisms underlying optoacoustic signal generation, particularly focusing on light absorption and heat conduction in BC particles of varying morphologies. The model predicts how particle size, shape, and other properties affect the signal's intensity and more importantly the phase of the generated signal, allowing for a deeper understanding of the relationship between BC particle characteristics and their optoacoustic response. These insights may enable us to distinguish between particle types, such as coated versus uncoated BC or tarballs. The physical mechanisms that are described are very similar to the ones that are currently employed by Laser Induced Incandescence (LII) sensors and can distinguish e.g. between coated and uncoated particles. In conclusion, this thesis addresses critical gaps in BC measurement technology by combining innovative design with low-cost components. The proposed sensor offers a low-cost solution that balances sensitivity and reliability, making it a valuable tool for advancing our understanding and mitigation of BC’s emissions. The novel sensor can enable detailed monitoring in areas previously constrained by cost and logistical barriers, such as remote regions (e.g. Arctic). Its data could guide interventions to reduce BC emissions and their impacts both on climate and human health.

Η διατριβή διερευνά τις διαδικασίες που αφορούν τον σχηματισμό, τις ιδιότητες και την μέτρηση της αιθάλης (Black Carbon - BC), με έμφαση στη βελτίωση της μέτρησής της χρησιμοποιώντας καινοτόμες τεχνολογίες. Το BC αναφέρεται σε αιωρούμενα σωματίδια με βάση τον άνθρακα που σχηματίζονται κατά την ατελή καύση ή πυρόλυση υδρογονανθράκων. Η δημιουργία του επηρεάζεται από παραμέτρους όπως η θερμοκρασία φλόγας και ο τύπος του καυσίμου (ειδικά για φλόγες διάχυσης). Το BC παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στην κλιματική αλλαγή όσο και στην ανθρώπινη υγεία. Η παρούσα διατριβή διερευνά την φυσικές διεργασίες που αφορούν τα σωματίδια αιθάλης (BC) με έμφαση στην απορρόφηση φωτός, αξιολογεί τους περιορισμούς των υπαρχουσών μεθόδων μέτρησης και προτείνει λύσεις για την βελτίωση των μεθόδων αυτών. Οι οπτικές ιδιότητες του BC είναι σημαντικές κυρίως λόγω της συμβολής τους στην κλιματική αλλαγή. Η ικανότητά του να απορροφά φως στο ορατό και στο υπέρυθρο φάσμα το διακρίνει από άλλους σωματιδιακούς ρύπους, οι οποίοι γενικά έχουν αντίθετη επίδραση στο κλίμα (ψύξη) λόγω της σκέδασης του φωτός που προκαλούν, μην επιτρέποντας στο ηλιακό φως να φτάσει στην επιφάνεια της γης. Οι οπτικές ιδιότητες του BC μετριούνται μέσω του δείκτης διάθλασης, του Absorption Angstrom Exponent (AAE) και του Single Scattering Albedo (SSA). Η μεταβλητότητα σε αυτές τις παραμέτρους προκύπτει από διαφορές στο μέγεθος των σωματιδίων, τη σύνθεση και τις επικαθίσεις, καθιστώντας τον ακριβή χαρακτηρισμό κρίσιμο για την εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του BC. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες για την ανίχνευση BC αποτελούνται από μεθόδους που βασίζονται σε εναπόθεση των σωματιδίων σε φίλτρα και μέτρησης των οπτικών τους ιδιοτήτων, οπτοακουστικές τεχνικές και αισθητήρες που βασίζονται στην πυράκτωση των σωματιδίων από λέιζερ υψηλής ενέργειας. Τα όργανα που βασίζονται σε φίλτρα, όπως τα αιθαλόμετρα, μετρούν την εξασθένηση του φωτός σε μια ταινία φίλτρου στην οποία έχουν εναποτεθεί τα σωματίδια, αλλά έχουν χαμηλή αξιοπιστία λόγω φαινομένων όπως το loading artefact και η ευαισθησία στη σκέδαση φωτός (και όχι μόνο στην απορρόφηση). Οι οπτικοακουστικές συσκευές, που αναφέρονται επίσης ως PhotoAcoustics (PAS), δεν επηρεάζονται από την σκέδαση φωτός συσχετίζοντας άμεσα την απορρόφηση φωτός με την παραγωγή ήχου. Αυτά τα συστήματα, αν και είναι αξιόπιστα, είναι πολύ ακριβά καθώς απαιτούν λέιζερ υψηλότερης ενέργειας αλλά και ακουστικούς συντονιστές και ακριβή προετοιμασία δειγμάτων, με ακριβή ρύθμιση της θερμοκρασίας του δείγματος, για την σωστή ενίσχυση του ακουστικού σήματος. Η πυράκτωση (incandescence) που προκαλείται από απορρόφηση φωτός παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για τις ιδιότητες των σωματιδίων, αλλά δεν είναι κατάλληλη για αισθητήρες χαμηλού κόστους. Η παρούσα διατριβή αφορά τον σχεδιασμό ενός καινοτόμου οπτικοακουστικού (ή φωτοακουστικού) αισθητήρα βελτιστοποιημένου για μείωση του κόστος διατηρώντας την ικανότητα για αξιόπιστη ανίχνευση BC. Ο αισθητήρας βασίζεται σε έναν ελλειψοειδή θάλαμο επαναεστίασης ήχου ο οποίος αξιοποιεί μια ελλειψοειδή γεωμετρία που εστιάζει αποτελεσματικά την ακουστική ενέργεια από το ένα εστιακό σημείο στο άλλο χωρίς να απαιτεί ακουστικούς συντονιστές, ενισχυτές ή συστήματα προετοιμασίας του δείγματος (sample conditioning). Επίσης, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD) οι οποίες καταδεικνύουν τις ακουστικές ιδιότητες του ελλειψοειδούς θαλάμου, δείχνοντας ότι λειτουργεί καλά για διάφορες παραμέτρους σχεδίασης, όπως το μέγεθος του όγκου διέγερση (τομή δέσμης φωτός με ροή καυσαερίου), ο τύπους διαμόρφωσης της οπτικής δέσμης και οι συνθήκες της ροής του καυσαερίου. Ένα αξιοσημείωτο εύρημα είναι ότι ο ελλειψοειδής θάλαμος λειτουργεί καλύτερα με μεγαλύτερες δέσμες φωτός, σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς αισθητήρες, μειώνοντας την ανάγκη για ακριβά οπτικά εξαρτήματα και λεπτομερή διαμόρφωση της οπτικής δέσμης. Επιπλέον, δείχνουμε ότι ο ελλειψοειδής θάλαμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επανεστίαση πολλών συχνοτήτων ταυτόχρονα, για παράδειγμα όταν χρησιμοποιείται ένας τετραγωνικός παλμός διαμόρφωσης της οπτικής δέσμης, που δημιουργεί ακουστικά κύματα σε πολλές συχνότητες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ελλειψοειδής θάλαμος επιτυγχάνει έναν καλό συμβιβασμό κόστους, ακουστικής απόδοσης και προστασία εξαρτημάτων του αισθητήρα και είναι κατάλληλος για έναν οπτικοακουστικό αισθητήρα αιθάλης (BC) χαμηλού κόστους. Στη συνέχεια, η διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη, τη δοκιμή και τη βελτίωση του νέου οπτικοακουστικού αισθητήρα που χρησιμοποιεί τον ήδη μοντελοποιημένο ελλειψοειδή θάλαμο, σχεδιασμένο να ανιχνεύει σωματίδια αιθάλης με χαμηλό κόστος. Αρχικά, οι εργαστηριακές δοκιμές, που έγιναν με χρήση ενός Quartz Tuning Fork (QTF) ως ευαίσθητο και χαμηλού κόστους ανιχνευτή, επιβεβαίωσαν τη λειτουργία του αισθητήρα, και την επανεστίαση ήχου στον ελλειψοειδή θάλαμο. Για την παραγωγή οπτικής δέσμης χρησιμοποιήθηκαν πηγές φωτός χαμηλού κόστους, οι οποίες λειτουργούσαν με τάση μεγαλύτερη από την ονομαστική τους αλλά με παλμούς μικρής διάρκειας ώστε να πετυχαίνετε υψηλή οπτική ενέργεια με μικρή κατανάλωση ενέργειας. Οι εργαστηριακές δοκιμές συνέκριναν το πρωτότυπο με όργανα αναφοράς, παρουσιάζοντας ισχυρή απόδοση στη μέτρηση των συγκεντρώσεων BC και ταχεία απόκριση στις διακυμάνσεις της συγκέντρωσης αιθάλης (BC) στο δείγμα. Ο αισθητήρας αξιολογήθηκε περαιτέρω σε πραγματικές συνθήκες μέσω της χρήσης του για τη μέτρηση συγκεντρώσεων αιθάλης στο καυσαέριο πλοίων, μετά από εγκατάστασή του πάνω στα πλοία. Ο αισθητήρας μέτρησε με ακρίβεια τις εκπομπές αιθάλης (BC), σε συμφωνία με εμπορικά όργανα. Ωστόσο, ο αρχικός σχεδιασμός αντιμετώπισε προκλήσεις με την έκθεση στο καυσαέριο και απαιτούσε συντήρηση λόγω εναπόθεσης σωματιδίων σε μέρη του αισθητήρα. Ένας βελτιωμένος αισθητήρας σχεδιάστηκε και κατάφερε να προστατεύσει τον θάλαμο και να μειώσει τις εναποθέσεις σωματιδίων, μειώνοντας σημαντικά τις απαιτήσεις συντήρησης. Οι εργαστηριακές δοκιμές του νέου αισθητήρα επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητά του στη διατήρηση ενός σταθερού σήματος για εκτεταμένο χρονικό διάστημα. Με την αναφερόμενη βελτίωση του αισθητήτα, υπογραμμίζεται η δυνατότητά αισθητήρα για χρήση σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος για τον έλεγχο εκπομπών, π.χ. συνεχής παρακολούθηση των εκπομπών πλοίων.Τέλος, η διατριβή μελετά την δυνατότητα χρήσης μοντελοποιήσεων για την ανάπτυξη και εφαρμογή οπτικοακουστικού αισθητήρα για την ανίχνευση σωματιδίων αιθάλης. Παρουσιάζει ένα νέο μοντέλο για την ανάλυση των μηχανισμών που διέπουν την παραγωγή οπτικοακουστικού σήματος, εστιάζοντας ιδιαίτερα στην απορρόφηση φωτός και την μεταφορά θερμότητας από σωματίδια αιθάλης διαφόρων μορφολογιών προς τον περιβάλλοντα αέρα. Το μοντέλο προβλέπει πώς το μέγεθος, το σχήμα και άλλες ιδιότητες των σωματιδίων επηρεάζουν την ένταση του σήματος και την φάση του παραγόμενου σήματος, επιτρέποντας μια καλύτερη κατανόηση της σχέσης μεταξύ των χαρακτηριστικών των σωματιδίων αιθάλης και της οπτοακουστικής τους απόκρισης. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να βοηθήσουν στην διάκριση μεταξύ τύπων σωματιδίων, όπως σωματίδια με επικαλύψεις πτητικών ενώσεων έναντι σωματιδίων χωρίς επικαλύψεις ή με σφαιρικά σωματίδια που παράγονται κυρίως κατά τηn καύση βιομάζας (tarballs). Οι φυσικοί μηχανισμοί που περιγράφονται είναι πολύ παρόμοιοι με αυτούς που χρησιμοποιούνται σήμερα από τους αισθητήρες πυρακτώσεως (Laser Induced Incandescence - LII) και μπορούν να διακρίνουν π.χ. μεταξύ σωματιδίων με ή χωρίς επικαλύψεις. Συμπερασματικά, αυτή η διατριβή αντιμετωπίζει κρίσιμα κενά στις τεχνολογίες μέτρησης αιθάλης (BC) συνδυάζοντας τον καινοτόμο σχεδιασμό με τη χρήση εξαρτημάτων χαμηλού κόστους. Ο αισθητήρας που σχεδιάστηκε και παρουσιάσθηκε προσφέρει μια λύση χαμηλού κόστους που εξισορροπεί την ευαισθησία και την αξιοπιστία, καθιστώντας τον ένα πολύτιμο εργαλείο για την προώθηση της κατανόησής μας και τον μετριασμό των εκπομπών αιθάλης. Ο νέος αισθητήρας μπορεί να διευκολύνει την λεπτομερή παρακολούθηση σε περιοχές που προηγουμένως περιορίζονταν λόγω κόστους και αναγκών συντήρησης, όπως απομακρυσμένες περιοχές (π.χ. Αρκτική). Τα δεδομένα του θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν τις παρεμβάσεις για τη μείωση των εκπομπών αιθάλης και των επιπτώσεών τους τόσο στο κλίμα όσο και στην ανθρώπινη υγεία.