A levegő aeroszol-tartalmának mennyiségi és minőségi analízise

Átírás

1 A levegő aeroszol-tartalmának mennyiségi és minőségi analízise Gázok inamikájának alavető összefüggései Molekula sebesség, szaba úthossz, Reynols szám Aeroszol részeskék inamikus tulajonságai Lineáris és görbült mozgási ályák, Koaguláió Részeskeméret-eloszlás A méreteloszlás tulajonságai Aeroszolok otikai tulajonságai Szórás, elnyelés, extinkió Aeroszol mérési mószerek Az alkalmazások és mószerek áttekintése, mintavételezés hibái Gázok tulajonságai: viszkozitás A ewton-féle viszkozitási törvény összefüggést a a nyíró feszültség és a sebességgraiens között: nyírófeszültség τ F µ ; τ sebességgraiens v y x Megmutatható, hogy gázokra: µ 3π 3/ mkt Látható, hogy µ független a nyomástól. Levegő stanar nyomáson: Hőmérséklet C C Viszkozitás Sűrűség.9. Diffúziós együttható.8.9 egység m - s PA s kg m -3 m s - Gázok tulajonságai: molekuláris sebesség A kinetikus gázelmélet szerint a sebesség effektív értéke arányos a hőmérséklet négyzetgyökével: 3RT rms M A sebességeloszlást a Maxwell-Boltzmann eloszlással írhatjuk le. Az eloszlás aszimmetrikus, ezért az átlag nem egyezik meg az effektív értékkel rms : Gázok tulajonságai: Szaba úthossz (λ) Az átlagos távolság amit egy molekula két ütközés között megtesz: λ n ahol n z m z nπ nπ m Ahol n z az átlagos ütközési frekvenia, n a molekulakonentráió, és m a molekula ütközési átmérője. Levegőre m.37 nm 3.7 Å. λ f ( ) 8RT πm Molekulák mérete és elhelyezkeése stanar körülmények között Gázok sebessége C hőmérsékleten M Átlagsebesség (m/s) H 76 Levegő Hg 76 Jellemző méretviszonyok (µm) Átmérő mol.37 Átlagos távolság.4 Szaba úthossz.66 nm-es aeroszol. Arány ( mol) 8 7 Reynols-szám Reynols-szám Viszkózus áramlás egy sőben vagy egy részeske körül lamináris vagy turbulens. Az áramlás tulajonságait az un. Reynols-számmal (Re) írjuk le, ami megaja a gyorsító erő arányát a súrlóó erőhöz kéest. Turbulens áramlásban a gyorsító erő (F i ), lamináris áramlásban a viszkózus erő (F f ) ominál. F i és F f beslése olyan áramló térfogatra, amelynek karakterisztikus imenziója L: U U U U + U ; t t x t 3 U Fi ma L U x U Ff η L x Fi V L Re F η f Aeroszolokra vonatkozó Reynols szám: Jellemző méret aeroszol átmérő, V relatív sebesség Re V η Levegőben, C hőmérsékleten (. kg/m 3, η.8-5 Pa s) Lamináris áramlás feltétele: Re <. [ V] m s, [] m Re 6.6 V ; Reynols szám sővezetékben áramló gázokra: Aeroszol átmérő helyére a ső átmérőjét kell behelyettesíteni. Megjegyzés: Lamináris áramlás: Re < ; turbulens áramlás: Re > 4 Inok: Gyorsító erő szeree lesökken az egyenes áramvonalak miatt. Áramlási instabilitások imenziója sokkal kisebb, mint a ső átmérője.

2 Aeroszol részeskék inamikus tulajonságai Stokes-törvény és a közegellenállási együttható Stokes-törvény és a közegellenállási együttható A felületen történő megsúszás hatása Egyenletes aeroszol mozgás: üleeési sebesség, mozgékonyság em gömb-alakú aeroszolok Aeroinamikai átmérő Görbült áramvonalak: megállási távolság, tehetetlenségi imaktor Stokes-törvény (Re << ) az alábbi egyszerűsítések mellett érvényes:. Gyorsító erő elhanyagolható: Re<<. Összenyomhatatlan folyaék 3. Egyetlen részeske, egyenletes mozgás 4. Merev gömb 5. ulla áramlási sebesség a felületen F D 3πηV Termikus erők Koaguláió ewton törvény (Re > ): π FD CD g V 8 C Közegellenállási együttható: 4η 4 CD V Re g Re A felületen történő megsúszás hatása Stokes-törvény feltételezi, hogy:. Folytonos közeg áramlik a részeske körül.. A közeg relatív sebessége nulla a felületen. Ezek a feltételezések érvényüket vesztik, ha a részeske átmérő összemérhetővé válik a szaba úthosszal. Stokes ellenállási erő lesökken, mivel az imulzusátaás lesökken (a közeg megsúszik). Cunningham (9) meghatározott egy korrekiós faktort, ami egynél nagyobb: 3π ηv. 5λ FD ; C + C Jó egyezés olyan részeskékre, amelyeknek az átmérője nem kisebb, mint. µm. Még kisebb részeskékre: λ C ex. 55 λ C +, P [ ex(.85 P )] ; P in hpa in µm Részeske üleeési-sebessége Egy gömb alakú részeske, amelynek az átmérője, tömege m és a sűrűsége, a g sűrűségű levegőben gyorsan eléri a végső üleeési sebességet: V TS. V TS értékét az az állanósult állaot határozza meg, amikor a közegellenállási erő F D és a gravitáiós erő F g m g (mínusz a felhajtó erő) egyenlő nagyságú és ellentétes irányú : 3π ηv ( ) 3 g π g TS C 6 Ha a felhajtó erő elhanyagolható ( g << ): g C mg C VTS 8η 3π η A Stokes tartományban (Re < ), egységnyi sűrűségű gömbökre: Ahol V TS mm/s és µm. V TS.3 A szabálytalan részeskealak hatása A szabálytalan részeskealak hatása Az eigi egyenletek és az üleeési sebesség számolása során gömb alakú részeskéket feltételeztünk. Általában teljesen szabálytalan részeskealak. Dinamikus alakfaktor. A valói közegellenállási erő és egy ugyanolyan sebességű és térfogatú gömb esetén felléő közegellenállási erő aránya: FD χ 3π ηv Ahol e az ekvivalens térfogat átmérője. A Stokes-törvényre és az üleeési-sebességre: F 3πηV χ D g C V TS 8η χ e e Pélák a inamikus alakfaktorra (χ): Gömb Gömbök: lán 3 komakt 4 lán Koka Henger (L/D4) horizontális tengely Vertikális tengely Kvar

3 Aeroinamikai átmérő A részeske alakjának és sűrűségének figyelembevétele ekvivalens átmérők alkalmazásával:. Stokes átmérő s : Átmérője egy olyan gömbnek, aminek ugyanaz a sűrűsége és az üleeési sebessége.. Aeroinamikai átmérő a : Átmérő egy egységnyi sűrűségű gömbnek ( g/m 3 ) amelyiknek ugyanaz az üleeési sebessége. e g C s g C ae g C V TS 8η χ 8η 8η Különböző műszerekkel különböző ekvivalens átmérőket lehet meghatározni. a e s χ Relaxáiós iő A relaxáiós iő az az iő ami alatt egy részeske sebessége felveszi egy megváltozott külső erőnek megfelelő sebességet. Külső erő: l. gravitáió, elektromos erő, termikus erő stb. A Stokes tartományban a V termikus sebesség egyenesen a közegellenállási erővel egyensúlyba hozott teljes külső erővel: V C V B F ; B F 3π η A relaxáiós iő: π 3 C C τ m B 6 3π η 8η Bármilyen külső erő esetén a végső sebesség: V tv F τ m Megállási távolság Egy kezetben V sebességű részeske külső erő hiányában ekkora utat tesz meg: S V τ B mv A Stokes-szám A megállási távolság részeske azon kitartását jellemzi, hogy mennyire tuja követni az áramlási tér áramvonalait, l. könyökső vagy belső imaktor. Ha a Reynols-szám és 4 közé esik, a következő emirikus formula érvényes: /3 /3 S [ Re 6 artan( Re / 6) ] g Részeske átmérő (µm).. Re S ha V m/s (m) Iő 9% S (s) A görbe vonalú mozgást a imenziónélküli Stokes-számmal jellemezzük, ami a megállási távolság és az áramlási minta vagy akaály karakterisztikus mértéke. S τ V Stk V A tehetetlenségi imaktor A tehetetlenségi imaktor elve széles körben alkalmazott aeroszol részeskék összegyűtésében és mérésében. Az általában használt fúvóka imaktor Stokes száma, ha a fúvóka átmérője Dj és a fúvóka kiléő sebessége V: τ V V C Stk D / 9η D j j Imaktor besaóási határméret Egy megfelelő szerkezetű fúvóka imaktora elvileg tiikusan éles határfüggvénnyel renelkezik (ábra). Valójában renelkezik egy statisztikus hibával nem tökéletes a műköése. ozzle Gas streamlines Imation late Large artile trajetory Small artile trajetory 3

4 Koaguláió Koaguláió azonos méretű részeskék között Részeskék összeütköznek az eltérő sebességeik miatt és összeraganak nagyobb részeskét alkotnak. A legegyszerűbb eset a monoiszerz részeskék termális koaguláiója, amikor is minen ütközésnél összeraganak (Smoluhowski koaguláió). Megmutatható, hogy az aeroszol részeskesűrűségének () változása a következő: 4π D t ahol D a iffúziós együttható és a részeske átmérője, valamint 4k T C K 4π D 3η a koaguláiós együttható, ami nagyobb méretű részeskék esetében független a részeske méretétől, e kisebb méretű részeskék esetében értéke növekszik a súszási korrekió miatt. Konstans K tényezőt feltételezve a kezeti aeroszol részeskekonentráió iőfüggése : ( t) + K t Átmérő (µm)... K (m 3 /s) Koaguláió különböző méretű részeskék között Részeske méreteloszlása I. Különböző méretű ( an átmérőjű) részeskék közötti koaguláiós együttható a következő egyenlettel karakterizálható: K, π ( + )( D + D ) A koaguláiós együtthatója különböző méretű részeskék esetében nagyobb, mint azonos méretűekre, azaz a nagyobb méretű részeske süllyesztőként műköik a kisebbekre nézve. Aeroszol renszerek renszerint különböző méretű részeskékből állnak. A teljes aeroszol renszer jellemzésére a D méreteloszlást és az i részeskesűrűséget : i ni D agy számú aeroszol részeske esetében a méreteloszlási függvény folyamatos és a következő kéen van meghatározva: n a részeskék száma m 3 térfogatban, amelyek mérete a ( D ) D D és D +D tartományban van. (µm)... Coagulation oeffiient K, ( - m 3 /s). µm. µm. µm µm A teljes részeskekonentráióa következő integrállal aható meg: n ( D ) D Az aeroszolok méreteloszlását gyakran a következő formában aják meg n ( D ) D Részeske méreteloszlása II. Szaharai homok (htt://visibleearth.nasa.gov/) Mivel a részeskék mérete akár több nagyságrenel is eltérhet, sokkal raktikusabb a részeskeeloszlást lnd vagy logd függvényeként kifejezni: n ( D ) D n (ln D ) ln D n (log D ) log D e Mivel ln D log D.33 D.33D n (log D ).33 D n ( D ) e n (ln D ) D n ( D ) 4

5 Felhőkézőés a szakarai homokból Füst aeroszol Ausztrália felett Fény - aeroszol kölsönhatás Sugárzásos effektusok: ala összefüggések Egy részeske által elnyelt vagy szórt teljes intenzitása arányos a beeső fény intenzitásával (W/m ): ~ ~ I sat CsatI ; Iabs CabsI Ahol C sat an C abs (m egységekben) az egy részeske szórási és elnyelési hatáskeresztmetszet. Extinkió az elnyelés és a szórás kombinált effektusa: C ext Csat + Cabs Az extinkiót, a szórást és az elnyelést általában a részeske keresztmetszetével normálják abból a élból, hogy egy a imenziómentes hatékonysági faktort határozzanak meg: Cext Csat Cabs Qext ; Qsat ; Qabs A A A Q sat és Q ext aránya a szórási albeo: Q sat C ω sat Qext Cext Rayleigh-szórás A fényszórást az ún. Mie-araméterrel π α λ és a törésmutató valós (m) részével. Fényszórás: valamely közegtől eltérő törésmutatójú, gyengén elnyelő részeskén következik be akkor, amikor a részeske a beeső fény hatására maga is fényforrássá válik, és így fényt sugároz a beeső fénytől eltérő irányokba is. A hullámhossznál jóval kisebb méretű részeskéken (molekulákon) történő szórást (α<<) Rayleigh-szórásnak nevezzük. Ha a molekula mérete és a fény hullámhossza összemérhető nagyságúak, vagy a szóró molekula nagyobb, Mie-szórásról beszélünk. Q ext, Q sat és Q abs A Rayleigh tartományban Megmutatható: C sat Q sat ; Q λ 6 V 4 abs ; C abs λ 3 V Pl. Az ég színe verőfényes naal kék, esős iőben szürke. 5

6 Homok aeroszolok mért extiniós sektruma Aeroszol mérési mószerek Extinktion oeffiient (/Mm) Wavelength (nm) Mószerek áttekintése Konenzáiós részeskeszámláló (CPC) Differeniális mobiltás vizsgáló (DMA, DMPS, SMPS) Aeroynami artile sizer (APS) Imators (asae, ELPI, ylone, CVI) Otial artile ounters Filter samling tehniques Mass setrometri tehniques Samling artefats (isokineti samling, samling losses) Konenzáiós részeskeszámláló (CPC) A CPC megaja a néhány nm kb. mikron átmérőjű aeroszolok számát fényszórás mérése alaján. A etektálás előtt az aeroszolok méretét meg kell növelni. Ezt túltelített alkoholgőzben való átáramoltatással valósítják meg. Mivel ez a méretnövekeés nem kontrollálható, az ereeti részeskék méretéről nem tuunk semmit sem monani. Elektromos mozgékonyság vizsgáló E erősségű elektromos térben az n töltésű részeskére ható FneE gyorsító erőt a közegelleállás egyenlíti ki: n e E 3π ηv / C A hőmérsékleti elektrosztatikus sebesség: ne E C VTE 3π η A DMA renszer által kiválogatott részeskék elektromos mobilitása: ( ) VTE ( Ft Fae)ln r r BE nee πul ahol F t és F ae a teljes és aeroszol áramlási sebesség, r és r a belső és külső elektróok sugara, l a DMA hossza és U a két elektróa közötti feszültség. Differential Mobility Ananlyser Trajetory of small artile Partile to be selete Large artile Pum Control Valve Monoiserse High effiieny artile filter Bi-olar harger Dry air samle HV ower suly ( bis kv) Comuter Partile ounter Boy imator flow Belső lerakóású készülékek Obstale ozzle imator flow ozzle Kaszká imaktor (többlééses méreteloszlás) Pre imator ozzles Virtual Imaktor Cylone Imation late Stage flow ozzle flow Stage Stage 3 Imation lates Main gas flow arries small artiles Stage Minor gas flow arries larger artiles Samling reservoir 6

7 Elektromos alasony nyomású imaktor (ELPI) Tömegkonentráió meghatározására alkalmas készülék, ugyanis az egyes imaktorok részeske gyűjtése a részeskék aeroinamikai méretétől függ. A mért áramértékeket (aeroinamikai) méreteloszlássá alakítják át. Aeroinamikus részeske osztályozó (APS aeroynami artile sizer) /log (m -3 ) Aeroinamikus részeske osztályozó (APS) Számkonentráió eloszlás SMPS APS APS Eff.Corr.. (µm) Tömegkonentráió eloszlás (.6 g/m 3 ) M/log (mg/m 3 ) SMPS APS APS Eff.Corr.. (µm) Szűrővel történő mintavételezési tehikák Szűrőn történő mintavételezés történhet: Befogással Ütközéssel Diffúzióval Égestés TOC Elemi szén Aeroyne aeroszol tömeg sektrométer Izokinetikus mintavételezés Elkerülhetők a mintavételezés okozta hibák. A mintavevő ső a gázáramlás irányába áll és nem jön létre sebességváltozás. 7

8 Hibás mintavételezés 8