Ilmakehan hiukkasmaisten ioniyhdisteiden online-mittaus

Abstract

Ilmakehän hiukkaset aiheuttavat merkittäviä ympäristö- ja terveyshaittoja, joihin vaikuttaa hiukkasten kemiallinen koostumus. Hiukkasten kemiallisesta koostumuksesta voidaan hankkia tietoa hiukkasmittauksilla. Työn tavoitteena oli rakentaa jatkuvatoiminen mittausjärjestelmä, jolla voidaan mitata ilmakehän aerosolihiukkasten ionipitoisuuksia. Mittausjärjestelmä koostuu virtuaali-impaktorista, denuderputkista, PILS-laitteesta ja ionikromatografista. Näyteilmavirtaus kulkee ensin esierottimena toimivan virtuaali-impaktorm lävitse, joka poistaa aerodynaamiselta halkaisijaltaan 1,3 um:a suuremmat hiukkaset ilmavirtauksesta. Näyte, joka sisältää 1,3 um:a pienemmät hiukkaset kulkee virtuaali-impaktorin jälkeen kahden 1 % KOH-liuoksella käsitellyn denuderputken lävitse, joilla poistetaan hiukkasmääritystä häiritsevät happamat kaasut näytevirtauksesta. Denuderputkien jälkeen ilmavirtaus saapuu PILS-laitteeseen, jossa hiukkaset kasvatetaan vesihöyryn avulla aerosolipisaroiksi, törmäytetään keräyslevyyn ja sekoitetaan sen jälkeen sisäistä standardiainetta (NaBr) sisältavään kuljetusliuokseen. Kuljetusliuoksen ja aerosolipisaroiden seoksesta koostuva näyteliuos johdetaan PILS-laitteesta ionikromatografille analysoitavaksi. Mittausjärjestelmään liitetyllä ionikromatografilla voidaan analysoida neljä näytetta tunnissa. Näytteistä määritettävät anionit olivat sulfaatti, nitraatti ja kloridi. PILS-mittausjärjestelmää testattiin keräämällä hiukkasnäytteitä samanaikaisesti PILS-laitteella sekä virtuaali-impaktorilla tai suodatinkeräimellä ja vertaamalla saatuja aerosolihiukkasten sulfaattipitoisuuksia keskenään. Testeissa kerättiin joko VOAG-laitteella tuotettuja ammoniumsulfaattihiukkasia tai laboratorion huoneilmaa. PILS-mittausjärjestelmällä mitatut sulfaattipitoisuudet olivat 2-20 % pienempia kuin suodatinkeraimella mitatut, kun kerättiin keinotekoisesti tuotettuja ammoniumsulfaattihiukkasia. Huoneilmaa kerättäessä PILS-mittausjärjestelmällä saadut pitoisuudet olivat noin 10 % pienempiä kuin suodatinkeräystulokset. Koetulokset osoittivat, että mittausjärjestelmällä saadaan analysoiduksi luotettavasti hiukkasten sulfaattipitoisuudet.

Atmospheric particles have many significant effects on climate and human health. The effects can be evaluated by measuring the chemical composition of aerosol particles. The aim of this work was to develop an on-line measuring system for measuring the ionic compounds of aerosol particles. The measurement system consists of a virtual impactor, denuders, particle into liquid sampler (PILS) equipment, and an ion chromatography. Air sample flows first through virtual impactor that acts as a pre-separator. The virtual impactor removes particles larger than 1,3 jim of aerodynamic diameter. Then the air sample with particles smaller than 1,3 um goes through two denuders which are coated with 1 % KOH-solution. Denuders are used to remove acidic gases from the sample flow. After the denuders the airflow enters the PILS-equipment where the particles are grown to aerosol drops using water vapour. Then the aerosol drops will be impacted onto a collection plate and mixed with transport liquid containing internal standard (NaBr). From the PILS equipment the sample liquid that consists of transport liquid and aerosol drops is carried to ion choromatography for measurement. The ion chomatography that is integrated to the measurement system in use is able to analyze four samples per hour. The anions determined from the air samples are sulphate, nitrate and chloride. The PILS measurement system was tested by collecting particles with it and comparing the sulphate concentration with the results of simultaneous measurements with a virtual impactor or a filter sampler. Either ammoniumsulphate particles produced with the VOAG equipment or room air samples from the laboratory were used in the tests. While collecting produced ammoniumsulphate particles, sulphate concentration measured with the PILS-measuring system were 2-20 % smaller than those measured with the filter collection. While collecting room air the measured sulphate concentrations were approximately 10 % smaller using the PILS measuring system compared to other methods. Test results show that sulphate concentration of aerosol particles can be succesfully analysed by this measurement method.