TERAHERTZ SPEKTROSKOPİ YÖNTEMİ KULLANILARAK BENZİNDEKİ ETANOL MİKTARININ TAYİN EDİLMESİ

1. Gasoline Ti:SapphireLaser 800 nm, 75 MHz, 20 fs Attenuator Filter 5% Ethanol Motorized Delay Stage Beam Splitter THz üretiminde kullanılan anten modeli:Photoconductive Antenna - Batop Lt-GaAs (PCA-40-05-10-800-h) THz sinyalinin dedeksiyonunda kullanılan kristal: 2.0 mm ZnTe Electro-Optic Crystal TERAHERTZ SPEKTROSKOPİ YÖNTEMİ KULLANILARAK BENZİNDEKİ ETANOL MİKTARININ TAYİN EDİLMESİ 10% Ethanol 20% Ethanol 30% Ethanol THz Waves 50% Ethanol PureEthanol 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz Frequency (85:15) Attenuator Filter Güç Spektrumları THz Elektrik Sinyal Profilleri Lens Microwave Infrared VIS E. ARIK1,C. KORAL2, O. ESENTÜRK1, H. ALTAN3 1Kimya Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800 Ankara 2Mikro ve Nanoteknoloji Programı, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800 Ankara 3Fizik Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800 Ankara enis.arik@metu.edu.tr Objective PCA OAPM OAPM Voltage Generator Sample ZnTe Crystal 10.7 AC Wollaston λ/4 Plate Balanced Photodetector Özet:Bu çalışmada Zamana Dayalı Terahertz Spektroskopi yöntemi kullanılarak benzindeki etanol miktarını tayin edebilecek bir metod geliştirilmiştir. Dizel, benzin ve etanol katkılı benzin karışımlarının ölçümlerinden örneklerin frekansa bağlı soğurma katsayısı, kırılma indisi ve dielektrik sabitleri hesaplanmıştır. Dizel ve benzinin statik özellikleri karşılaştırılmış ve bu iki yakıtın kolayca ayırt edilebildiği ortaya konulmuştur. Ayrıca Debye modelikullanılarak katkısız benzin ve saf etanolün dielektrik sönümlenme parametreleri hesaplanmıştır. Etanol katkılı benzin karışımları ise basit katkılanma yaklaşımı yoluyla geliştirilen bir denklemle modellenmiştir. Önerilen methodla bu yeni yaklaşımın benzindeki etanol miktarını yaklaşık % 3 mutlak hata payı ile tespit edebileceği ortaya konulmuştur. Etanol, literatürde de yapıldığı üzere1,2, Üçlü-Debye sönümlenme modeline iyi uyum sağladı. Lockin Amplifier 1 KHz Benzindeki etanol miktarı arttıkça yüksek frekansların genliklerinde düşüş gözlemlenmiştir. LabVIEW GİRİŞ THz Bölgesi (0.1 THz – 10 THz) Karışımların hesaplanan kırılım indisi ve soğurma katsayısı spektrumları • THz Dalgalarının Özellikleri • Malzemeye temas etmeden ölçüm alma imkanına sahip. • Biyolojik ve Kimyasal Malzemelere zarar vermiyor. • Patlayıcı ve yanıcı malzemelerin ölçümünde tehlike oluşturmuyor. • Bir çok malzemenin içinden rahatlıkla geçebiliyor (bir çok plastik çeşidi, kağıt, odun, elbise kumaşı vb.) • Bir çok spektroskopi tekniğinde THz dalgaları malzemeyle ilgili hem durağan hem de dinamik özelliklerinin araştırılmasında kullanılıyor. Örnek malzemeye elektrik alanı uygulandığında polarize olur. Belli bir zamandan sonra bu polarizasyon sönümlenir ve örnekteki moleküller eski haline geri döner. Bu sönümlenme dinamiği ise Debye modeliyle1açıklanabilir. Etanolün ve Benzinin kompleks dielektrik fonksiyonlarının real (e') ve imaginary (e'') kısımları ayrıca hesaplanmış ve Debye Modeli uygulanarak modellenmiştir. Etanol Datalarının Modellenmesi ÇALIŞMANIN AMACI • Neden Etanol-Benzin Karışımları? • Yakıt katkıları (örneğin etanol) motor gücünü arttırma, egzoz emisyonunu düşürme ve petrol yakıtlarına olan bağımlılığı düşürme amacıyla bir çok ülkede kullanılmaktadır. • Benzinin içindeki etanol yüzdesinin bazı ülkelerde belirlenen değerleri; • Brezilya: % 20-25 Amerika Birleşik Devletleri: %15’ e kadar • Avrupa: %10’ a kadar • Türkiye: (2013’ de) minimum %2, (2014’ de) minimum %3 (by EPDK) • Neden THz Spektroskopisi? • Yanıcı ve patlayıcı malzemeler için güvenli bir teknik olması (kızılötesi dalgalarından çok daha düşük enerjili), • Kırılım indisinin ve soğurma katsayısının tek bir ölçümde hesaplanmasına imkan veren bir teknik olması, • THz spektroskopisinin gelişime açık bir teknik olması ve endüstriye uygulanabilirliğinin araştırılmak istenmesi. Benzin Datalarının Modellenmesi Benzinin dielectric fonksiyonu İkili-Debye sönümlenme modeliyle fit edildi. Karışım Datalarının Modellenmesi DENEYSEL Karışımların modelleme metodunda ise basit katkılanma yaklaşımı kullanılmıştır. Bu yaklaşım sonucu kurulan denklemde karışımın dielektrik özelliğini karışımı oluşturan malzemelerin fraksiyonel toplamları belirler. Bu metodun uygulanma sırasında yapılan varsayımlar aşağıda verilmiştir. Etanol molekülleri ve benzindeki molekküller arasında zayıf bir etkileşim var. Bu etkileşim etanol ve benzinin en hızlı sönümlenme basamağını en fazla etkilediği düşünülmekte. VARIABLES A shows fraction of ethanol, and B shows fraction of gasoline by the proposed method. FIXED (except for the the parameters of fastest steps in ethanol ) and gasoline) which Fitler deneysel değerlerle iyi örtüşüyor. SONUÇLAR VE YORUMLAR ÇIKARIMLAR Fitlerden elde edilen A değeri (etanol fraksiyonu) gerçek etanol değerleriyle belli bir hata payıyla uyuştuğu görünmektedir. Bu hata payı en fazla 0.03 (fraksiyonel hata) olarak hesaplanmıştır. Kalibrasyon eğrisi çizildikten sonra bu hataların çok daha az olacağı tahmin edilmektedir. Kullanılan sistemin sinyal/gürültü oranının arttırılmasıyla elde edilen bant genişliği artacak ve çok daha fazla veriyle daha güvenilir ve doğru sonuçlar elde edilebilecektir. REFERANSLAR 1) Barthel, J.; Buchner, R. Pure and Applied Chemistry1991, 63, 1473–1482 2) KindtJournal of Physical Chemistry1996, 100, 10373–10379. Red circles are the A values, determined from the best fits of the mixtures data. Black line is expected values of A.