Farkas Kálmán (XTVEM3) május 6.

Átírás

1 Szilárdanyag és nedvességtartalom mérése kéményekben Stivi Balázs(RTM6C2) Farkas Kálmán (XTVEM3) Fitos Adrián(WHV7H3) Gyenge Balázs(EM0QHQ) 1

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezető Aeroszolok klímakutatásban betöltött szerepe Mérések bemutatása Szűrők Kaszkád impaktor Streaker Lézer diffrakció Mie-elmélet Fraunhofer közelítés Nedvességtartalom mérése

3 1. Bevezető Az általunk kapott feladat Szilárdanyag és nedvességtartalom mérése kéményekben címet viseli. Ennek a témának a méréstechnikai részét kell feldolgoznunk és bemutatnunk, és itt a beadandó munkákban 4 méréstechnikai eljárást szeretnénk bemutatni úgy mint: Szűrő. Kaszkád impaktor. PIXE módszer. Lézer diffrakció. Azért, hogy megértsük mért van szükségünk ezekre a mérésekre előnyős ha feladatunk megvalósítását egy kis bevezetővel kezdjük és itt tisztázzuk a jegyzetben használt definíciókat. 1. Definíció (Aeroszol). Gáznemű közegben finoman eloszlott szilárd vagy folyadék részecskék együttes rendszere. A légköri aeroszolok tulajdonságainak vizsgálata jelentős múltra tekint vissza. A levegő növekvő szennyezettsége miatt, amely az erősen iparosodott területek szennyezőkibocsátásának rovására írható, a környezetkutatás területén dolgozó szakemberek felismerték annak fontosságát, hogy rendszeresen vizsgálni kell a légköri aeroszolok mennyiségét, időbeli és térbeli eloszlását, összetételét és méret szerinti eloszlását. Az aeroszol kibocsátás mérése és szabályozása egészségügyi szempontból nagyon fontos: légzőrendszeri és érrendszeri megbetegedéseket okozhatnak. 3

4 Az aeroszol egy diszperz (egymástól független részecskékből álló) rendszer, amelynek diszpergáló közege gáz, pl. levegő, a diszpergált részecskéi pedig kolloidális méretű (1 nm-től 500 µm-ig) finoman eloszlott szilárd vagy folyadékrészecskék. Légköri aeroszolok sokféle természetes és antropogén folyamat eredményeként keletkeznek, amelyek nagy térbeli változatosságot mutatnak. Keletkezési módjuk sokfélesége és rövid életidejük miatt az aeroszolok koncentrációja, méreteloszlása és kémiai összetétele széles határok között változik térben és időben. Habár az aeroszolok az atmoszféra teljes tömegének csak egy töredékét teszik ki, fontos szerepet játszanak az atmoszféra kémiájában, hatással vannak az emberek és állatok egészségére. 2. Definíció (Abszorpció). Az abszorpció egy fizikai-kémiai jelenség, melynek során gázok vagy gőzök atomjai-molekulái folyadékkal vagy szilárd testtel 4

5 érintkezve abban elnyelődnek. 3. Definíció (Antropogén). Az ember tevékenységéből eredő, ahhoz kapcsolódó. (pl. szennyezés) Aeroszolok klímakutatásban betöltött szerepe A Föld légkörének sugárzásos egyensúlyában fontos szerepet játszanak a légkör összetevőinek a fény és anyag kölcsönhatását befolyásoló, hullámhosszfüggő tulajdonságok. A légkörbe kerülő antropogén eredetű aeroszolok közvetve és közvetlenül is befolyásolják a Föld-atmoszféra rendszer egyensúlyát. Az atmoszférában lévő szilárdanyagog szórhatják és elnyelhetik a rájuk eső sugárzást. A magasabb rétegekben az elnyelés hűti, míg alacsony rétegekben a szórás fűti a légkört. Befolyásolják a felhőképződást is, mivel a túltelitett vízgőz a szilárd részecskéken kondenzálodik és az így keletkező cseppek felhőkké állnak össze, és ezek a felhők a földfelszintől mért távolságok szerint fűthetik illetve hűthetik a légkört. 4. Definíció (Emisszió). Kibocsátás. Általában környezethasználatból vagy más tevékenységből származó szennyezőanyag kibocsátás, sugárzás, rezgés, bűz, stb. 5. Definíció (Imisszió). A kibocsátás során a környezeti levegőbe került gázok és aeroszol részecskék koncentrációja, vagyis a légszennyezettség mértéke. Mérését a települési, illetve a településen kívüli levegőminőség mérő állomások és az ezekhez szervesen kapcsolódó levegőminőségi laboratóriumok végzik. Az imisszió értékelése az érvényben lévő levegőminőségi határértékek figyelembevételével történik. 2. Mérések bemutatása Számunkra a mérés elméleti áttekintése során a legfontosabb paraméterek melyeket mérni szeretnénk, a részecske mérete és mennyisége. A folyadék részecskéket gömb alakúak melyek megfelelnek a mérés feltételének, míg a szilárd részecskék amorf alakzatúak melyeket idealizálunk és a vele ekvivalens aerodinamikai átmérő gömböt használjuk. A kaszkád impaktoros és szűrős mérésről elmondható, hogy a mintavevő 5

6 eszközt a kémény átmérőjének közepén helyezzük el, ahol az áramlás sebessége a legnagyobb. Elmondható még az is, hogy a mintavevő egység elé egy Pitot-csőves áramlásmérőt kell helyeznünk, mert a mintavételezést ugyanolyan sebességgel kell végrehajtanunk, mint az áramló közeg sebessége. A mintavételezés sebességét nem a szivattyú motorjának sebességével állítjuk, mivel ennek időállandója túl nagy,az áramlás sebességét egy fals levegőt szívó szeleppel oldhatjuk meg. 6

7 2.1. Szűrők Ez a leggyakrabban alkalmazott mérési eljárás ebben a környezetben melynek fő oka a mérés egyszerűsége. Különböző filterekkel szerelhető az eszköz, úgy mint: Szálas szerkezetű üveg. Membránszűrők(cellulóz-nitrát,cellulóz-triacetát). A mérés előnyeként megemlíthető, hogy méret szerint szétválogatva áll rendelkezésünkre a mérni kivánt anyag. A légtömegáramot ismerve és a különböző szemcseméretű anyagokat lemérve könnyen megkaphatjuk a sziláranyag mennyiségét meghatározott térfogatra Kaszkád impaktor Aerodinamikai átmérőjük szerint osztályozza a részecskéket. A levegő néhány osztályozó fokozaton halad keresztül, minden egymást követő fúvókánál egyre nagyobb sebességgel. Minden fokozatnak van egy meghatározott aerodinamikai paramétere: 7

8 Ennél kisebb átmérőjű részecskék áthaladnak. Nagyobb részecskék becsapódnak a fokozat ütközési felületébe (impaktor). Az egyes fokozatok szeparációs szintje függ: Az adott fokozat előtti fúvóka átmérőjétől. A fúvóka és az impaktor felület távolságától. Az előző fokozat befogási tulajdonságaitól. Konstans szívósebesség és egyre kisebb átmérőjű fúvókák kombinációja eredményeként a levegőminta sebessége egyre nagyobb lesz, ahogy áthalad a mintavevőn, és egyre kisebb méretű részecskék rakódnak le az egymást követő fokozatokon. Az utolsó fokozaton is áthaladó részecskéket egy utószűrővel lehet felfogni. Előny: nedves és szilárd részecskékhez egyaránt alkalmazható. az egyes méretfrakciók súlya külön mérhető. a részecskéket könnyen el lehet távolítani a mintatartórol további vizsgálatok céljára. különösen jól használhatók egészségügyi vizsgálatokhoz. A részecskék viselkedését és a különböző impaktor fokozatokon történő leválasztódását reprezentatívnak tartják az emberi légzőrendszerbe kerülő részecskék viselkedésének leírására. 8

9 9

10 2.3. Streaker Az aeroszolok időbeli eloszlásának vizsgálatára alkalmas eszköz. A PIXE International által gyártott mintavevő egy kör kerülete mentén folytonos aeroszol mintát szolgáltat egy hét vagy akár hosszabb időintervallum alatt. Egy 0,3 pórusátmérőjű Nuclepore szűrő van felragasztva egy 82 mm átmérőjű korongra. Ezt egy motor folyamatosan lépteti egy szívó nyílás felett így Aeroszol sáv keletkezik a szűrőn és ebből a sávból tudjuk visszanyerni az információt. Időfelbontás: általában 1-3 óra Lehet használni előimpaktort is így a streakerbe csak egy megadott méretnél kisebb részecskék tudnak belépni. 10

11 Eddig mindhárom eszközről elmondható, hogy nem nyújt valósidejű információt, van egy gyűjtési idő melynek a letelte után ki kell venni az eszközt, és ezután következhetnek a mérések Lézer diffrakció A részecskeméret analízis lézerdiffrakcióval módszer a diffrakciós kép vizsgálatán alapul, ami akkor keletkezik, amikor a részecskéket monokromatikus fény hatásának tesszük ki. Felhasználja a Mie-elméletet, valamint a Fraunhoferközelítést és az anomális diszperziót. Egy jellemző minta megfelelő koncentrációban egy alkalmas közegben diszpergálva monokromatikus sugárnyalábon, általában lézersugáron halad át. A részecskék által többféle szögben szórt fényt egy többelemű detektor érzékel. A diffrakciós képet megadó numerikus értéket ezután, a további analízishez regisztrálják. Majd e diffrakciós kép-adatokat, megfelelő optikai modell és matematikai eljárás alkalmazásával transzformálják, aminke eredményeként az, a teljes térfogat részeit diszkrét számú méretosztályba sorolja, térfogati részecskeméreteloszlást eredményez. 11

12 Mie-elmélet James Clerk Maxwell 1862-ben megjelent On the Physical Lines of Force című cikkében szerepelnek először a Maxwell egyenletek. Ezen egyenletek alapján tetszőleges méretű és törésmutatójú gömb alakú anyag fényszórására elsőkéne 1890-ben Ludvog V. Lorenz, majd később 1908-ban Gustav Mie vezetett le analitikus megoldást. Az elmélet alapgondolata a következő: a forrásmentes esetben érvényes Maxwell-egyenleteket kielégítú E elektromos és B mágneses tereket kifejezhetjük egy φ skalárfüggvénnyel, amely teljesíti az alábbi Helmholtz-egyenletet: V φ + n 2 k 2 φ = 0 (1) A bejövő elektromágneses síkhullámot, a vízcsepp által szórt és a vízcseppen belüli elektromágneses tereket a problémához jobban illeszkedő gömbhullámok szerint sorfejtve, a sorfejtési együtthatókat a vízcsepp határfelületén érvényes peremfeltételekből határozhatjuk meg Fraunhofer közelítés A vékony szál éppen ott takarja el a fényt ahol a rés átengedi, és fordítva. A szál a résnek a komplementer alakzata. A Babinet- elv szerint egy alakzat és a komplementere által elhajlított fény intenzitás eloszlása a távoli ernyőn ugyanolyan függvénnyel írható le, kivéve a tárgy ernyőre vetített geometriai képének helyét, ahol különbözik az elhajlási kép. Az elv szerint az ernyőn kialakuló elhajlási kép a rés és a vékony szál esetében azonos, kivéve a rés és a szál mögötti területeket. A szálon létrejövő elhajlás tehát ugyanúgy kezelhető, mint a rés esetén, a minimum helyeiből a szál vastagsága meghatározható. 12

13 2.5. Nedvességtartalom mérése A légnemű anyagok hőmérséklete befolyásolja, hogy mennyi párát képesek magukban tárolni. A kondenzáció akkor jön létre, ha a magas hőmérsékletű páradús légnemű anyag elkezd lehűlni - ezáltal túltelítetté válik - és a benne lévő párát már nem képes magában tartani. Ha az anyag eléri az őrá jellemző harmatponti hőmérsékletet, a benne lévő pára kicsapódik. Jól megfigyelhető mindez az edények fedőjének belső felületén. A fedő hőmérséklete alacsonyabb, mint a gőz harmatpontja, ezáltal a pára kicsapódik a felületére. Ezt a tulajdonságot használjuk ki a nedvességtartalom mérésére. Egy mintavevő segítségével bizonyos mennyiségű mintát veszünk a kéményből majd ezt lekondenzálva megmérjük ennek a térfogatát. Az átáramló levegő mennyiségét és a lecsapodott víz mennyiségét ismerve meghatározható a gáz nedvességtartalma. 13

14 14