Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik

Átírás

1 Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik A légköri aeroszol kutatások jelentősége és legfontosabb motivációi Légköri aeroszol típusok, jellemzésük Valós idejű mérőműszerek Spektrális sajátosságok mérése Abszorpció Aethalometer MAAP PAS Szórás Nephelometer Méreteleoszlás SMPS OPC EC/OC arány meghatározás QC-EC/OC analyzer

2 Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik

3 Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük Aeroszol: valamely gáznemű közegben finoman eloszlatott szilárd és/vagy cseppfolyós részecskék kolloid rendszer Jellemzés: Eredet Természetes Mesterséges Képződési mechanizmus Elsődleges Beszáradás, csepfelkapás stb.. Kilökődés Kémiai összetétel Mikorfizikai tulajdonságok Másodlagos Konvekció Gócképződés Abszorpció Méreteloszlás, szám, és tömeg szerinti koncentráció Élettani hatások Spektrális sajátosságok

4 Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük Fizikai, kémiai, biológiai jellemzésük

5 Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük

6 Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük

7 Mérőműszerek Spektrális sajátosságok mérése Abszorpció Aethalometer MAAP PAS Szórás Nephelometer Méreteleoszlás SMPS OPC EC/OC arány meghatározás QC-EC/OC analyzer

8

9

10 Aethalometer, PSAP

11 Aethalometer, PSAP Filter spektrál-átviteli karakterisztikája Fényforrás intenzitása Optikai elemek spektrál-átviteli karakterisztikája

12 Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

13 Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

14 Multi Angle Absorption Photometer (MAAP) S( ) ( cos( ) (1 )exp 1 2 ( ) 2 2 )

15 Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

16 Photoacoustic Spectrometer (PAS)

17 Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Fotoakusztikus jelkeltés ABSORPTION OF PERIODICALLY MODULATED LIGHT MOLECULES IN EXCITED STATE NON-RADIATIVE RELAXATION PERIODIC VARIATION OF THE TEMPERATURE PERIODIC PRESSURE VARIATION (SOUND) A gerjesztett aeroszolok térfogati abszorberként viselkednek. A fotoakusztikus jel nagysága nem a gerjesztett elekronátmenetek átmeneti valószínűségével, hanem az aeroszolelegy abszorpciós hatáskeresztmetszetével arányos.

18 Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia A fotoakusztikus jelkeltés nagysága α: abszorpció [m -1 ] S: A fotoakusztikus jel [V] P λ : A gerjesztő fényforrás fényteljesítménye [W] M: Mikrofon érzékenység [V/Pa] C: Kamraállandó [Pa/m -1 /W] α 0 : fajlagos abszorpciós koefficiens [m 2 /g] c: Koncentráció [g/m 3 ] F: Fotoakusztikus kvantumhatásfok A b : Háttérjel α, c és független abszorpció-szelektív koncentrációmérés esetén α 0 is meghatározható ha az egyenletben szereplő mennyiségek S, α 0, és c értékek kivételével ismert állandók

19 Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Fényteljesítmény Kamrakonstans Fotoakusztikus háttérjel Fotoakusztikus kvantumhatásfok A gerjesztő fényforrás intenzitásának fluktuációja a mért abszorpció érték fluktuációjaként jelentkezik A priori nem ismert. Kalibrációs mérések segítségével meghatározható A mintatéren áthaladó fénynek a kamra ablakán való elnyelődésből, és a mintatér és a mikrofon falán történő szóródásából származik. Értéke 0 és 1 között változhat kifejezi, hogy az abszorpció indukált energia hányadrésze fordítódik jelkeltésre A mért fotoakusztikus jel adott időponthoz tartozó (S act ) értékét szorozva a P λ, ini /P λ, act értékekkel a lézerteljesítmény fluktuációjának a fotoakusztikus jelre gyakorolt hatása megszűntethető

20 Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Fotoakusztikus rendszerek kalibrációja Kalibrációval meghatározható. Megadja a fotoakusztikus rendszer válaszát egységnyi gerjesztés és optikai abszorpció esetén. Gáz-fázisú kalibráció Aeroszol-fázisú kalibráció Összetétel és méretfüggő. Az aeroszol-fázisú kalibráció által meghatározott kamrakonstans a mért aeroszolelegy un. ekvivalens korom koncentrációját/abszorpcióját adja meg. Abszolút abszorpció mérést tesz lehetővé Termális relaxáció Ekvivalens korom abszorpció: A mért aeroszol abszorpció egyenlő annak az aeroszolnak az abszorpciójával, amely fizikai és kémiai tulajdonságai a kalibráló aeroszoléval egyező és ugyanakkora jelet ad a mintatérben, mint a kalibráló aeroszol.

21 Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Háttérjel ingadozás csökkentése Fotoakusztikus háttérjel A koncentráció/kémiai összetétel gyors változásának nyomon követéséhez folyamatos, míg rövidebb időfelbontású mérésekhez szakaszos háttérmérés szükséges

22 Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Kvantumhatásfok Az F tag értéke 0 és 1 között változhat, a gerjesztés paraméterei és a vizsgált minta fizikai tulajdonságainak függvényében. Értékét, adott gerjesztés mellett, a vizsgált aeroszol minta méreteloszlása (termális relaxáció) és/vagy illékony illetve szemi-illékony komponenseinek aránya határozza meg termális relaxáció Ha a periodikus ν frekvenciájú gerjesztés során a gerjesztett állapotban lévő részecske hőleadására jellemző relaxációs időállandó (τ) összemérhető vagy nagyobb, mint gerjesztés periódusideje, akkor a fotoakusztikus jel nagysága k-ad részére csökken, és modulációs frekvencia és a mikrofon jel között Θ fáziskésés lép (thermális relaxáció). 1 k k exp( i ) 1 i2 r 2 particle c p particle 3 a SVOC, VOC A felvett energia átadása nem csak hővezetés, hanem párolgás útján is történhet. Ebben az esetben a fotoakusztikus jelkeltés kvantumhatásfoka változik a gerjesztés során. A halmazállapot változásához szükséges energiát a gerjesztés fedezi, így a kvantumhatásfok csökken, ugyanakkor az elpárolgott komponensek a mintatér parciális nyomását növelik, ami a kvantumhatásfok növekedését eredményezi.

23 Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia A fotoakusztikus mérőrendszer általános felépítése Mérőkamra Gázkezelés Fényforrás CO2, CO, gázlézerek Félvezető QC lézerek Jelfeldolgozás

24 Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia pia Terepi változat Laboratóriumi változat MuWaPaS

25 Alkalmazások (Abszorpció) Kalibráció és tesztmérések Institute for Meteorology and Climate Research Atmospheric Aerosol Research (IMK-AAF)

26 Kalibráció és tesztmérések A DM módszer 550nm-es hullámhosszára normált normált optikai abszorpció Mini-Cast korom aeroszol hullámhosszfüggésének meghatározása 10 1 mini-cast korom C/O 0,29 PAS DM Angström együttható: 1.24 ± , Hullámhossz [nm] Szerves, szervetlen-korom, ásványi por Abszorpciós spektrumának meghatározása Optikai abszorpció [cm -1 ] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Az AE31 legrövidebb működési hullámhossza Hullámhossz [nm] mini-cast korom Palas GFG 1000 korom Szahara homok

27 Kalibráció és tesztmérések Normált optikai abszorpció [Mm -1 ] Grafit (AAE=1.05) Cseh barnaszén (AAE=1.37) Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15) PASS-3 7λ-Aethalometer Hullámhossz [nm]

28 Kalibráció és tesztmérések AAE(, ) nm 1 2 Grafit ln( ( 1 )) ln( ) 1 Ångström exponens Cseh barna szén Orosz fekete szén 1,15±0,01 1,37±0,03 1,23±0,04 ln( ( 2)) ln( ) 2 Faszén 1,05±0, nm 1,15±0,01 1,66 2,05 2,05 Normált optikai abszorpció [Mm -1-1 Normált optikai abszorpció [Mm -1 ] ] Grafit Cseh barnaszén Grafit (AAE=1.05) Orosz feketeszén Cseh barnaszén (AAE=1.37) Faszén Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15) PASS-3 7λ-Aethalometer Hullámhossz Hullámhossz [nm] [nm]

29 HULIS (Humic-Like Substancies) aeroszol 10 Mass absorption coefficient (m 2 /g) 1 0,1 0,01 4 -PAS Hoffer et al, daytime Amazomian sample Hoffer et al, nighttime Amazonian sample Dinar et al, CRD 1E Wavelength (nm)

30 AAE /AAE , mint forrásindikátor (terepi mérések ) Gázfázis Elemösszetétel-Abszorpció - Módus(méret)-Abszorpció

31 Méreteloszlásmérő műszerek

32 Méreteloszlásmérő műszerek

33 Méreteloszlásmérő műszerek

34 Szórásmérő

35 Szórásmérő

36