Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik

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

Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik

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

Beszáradás, csepfelkapás stb.. Elsődleges

Másodlagos

Kilökődés Konvekció

Gócképződés

 Kémiai összetétel  Mikorfizikai tulajdonságok

Abszorpció

Méreteloszlás, szám, és tömeg szerinti koncentráció Spektrális sajátosságok  Élettani hatások

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

Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük



Légköri aeroszol típusok, keletkezésük és jellemzésük

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

Aethalometer, PSAP

Aethalometer, PSAP

Filter spektrál-átviteli karakterisztikája

Fényforrás intenzitása Optikai elemek spektrál-átviteli karakterisztikája

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

 1 (   ) 2  S ()  ( cos(   )  (1   ) exp  )  2 2   

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

Photoacoustic Spectrometer (PAS)

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia Fotoakusztikus jelkeltés A BSO RPTIO N O F PE RIO D ICA L LY M O D U LATE D LIG H T

M O LE CU LE S IN E X CI TE D STAT E

N O N -RA D I AT IV E RE LA X AT IO N

PE RI O D IC VA RIAT IO N O F TH E TE M PERAT U RE

PERIO D IC PRE SSU RE VA RIATI O N (SO U N D )

A gerjesztett aeroszolok térfogati abszorberként viselkednek. A fotoakusztikus jel nagysága nem a gerjesztett elekronátmenetek átmeneti valószínűségével, hanem az aeroszolelegy abszorpciós hatáskeresztmetszetével arányos.

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia A fotoakusztikus jelkeltés nagysága α: abszorpció [m-1] S: A fotoakusztikus jel [V] Pλ: A gerjesztő fényforrás fényteljesítménye [W] M: Mikrofon érzékenység [V/Pa] C: Kamraállandó [Pa/m-1/W] α0: fajlagos abszorpciós koefficiens [m2/g] c: Koncentráció [g/m3] F: Fotoakusztikus kvantumhatásfok Ab: Háttérjel α, c és független abszorpció-szelektív koncentrációmérés esetén α0 is meghatározható ha az egyenletben szereplő mennyiségek S, α0, és c értékek kivételével ismert állandók

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia

Fényteljesítmény A gerjesztő fényforrás intenzitásának fluktuációja a mért abszorpció érték fluktuációjaként jelentkezik

Kamrakonstans A priori nem ismert. Kalibrációs mérések segítségével meghatározható

Fotoakusztikus háttérjel

Fotoakusztikus kvantumhatásfok

A mintatéren áthaladó fénynek a kamra ablakán való elnyelődésből, és a mintatér és a mikrofon falán történő szóródásából származik.

A mért fotoakusztikus jel adott időponthoz tartozó (Sact) értékét szorozva a Pλ,ini/Pλ,act értékekkel a lézerteljesítmény fluktuációjának a fotoakusztikus jelre gyakorolt hatása megszűntethető

Értéke 0 és 1 között változhat kifejezi, hogy az abszorpció indukált energia hányadrésze fordítódik jelkeltésre

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia 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.

Ekvivalens korom abszorpció: A mért aeroszol abszorpció egyenlő annak az aeroszolnak az abszorpciójával, amely fizikai és kémiai tulajdonságai a kalibráló aeroszoléval egyező  Abszolút abszorpció mérést tesz lehetővé és ugyanakkora jelet ad a mintatérben, mint a kalibráló aeroszol.  Termális relaxáció

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia Háttérjel ingadozás csökkentése

Fotoakusztikus háttérjel

A koncentráció/kémiai összetétel gyors változásának nyomon követéséhez folyamatos, míg rövidebb időfelbontású mérésekhez szakaszos háttérmérés szükséges

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia

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

SVOC, VOC

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). k

1  k exp(i) 1  i 2



r 2  particle c p  particle 3 a

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.

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia A fotoakusztikus mérőrendszer általános felépítése Mérőkamra Gázkezelés

Fényforrás

 CO2, CO, gázlézerek  Félvezető  QC lézerek

Jelfeldolgozás

Légköri aeroszolok optikai tulajdonságainak vizsgálata II. Fotoakusztikus spektroszkópia Terepi változat

Laboratóriumi változat

MuWaPaS

Alkalmazások (Abszorpció)

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

Kalibráció és tesztmérések

10

mini-CAST korom C/O 0,29 PAS DM

1

0,1 200

Angström együttható: 1.24 ± 0.08

400

600

Hullámhossz [nm]

800 1000

Optikai abszorpció [cm-1]

A DM módszer 550nm-es hullámhosszára normált normált optikai abszorpció

Mini-Cast korom aeroszol Szerves, szervetlen-korom, ásványi por hullámhosszfüggésének meghatározása Abszorpciós spektrumának meghatározása mini-Cast korom Palas GFG 1000 korom Szahara homok

1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

Az AE31 legrövidebb működési hullámhossza

200

400

600

800

Hullámhossz [nm]

1000

-1

Normált optikai abszorpció [Mm ]

Kalibráció és tesztmérések

30 25 Grafit (AAE=1.05) Cseh barnaszén (AAE=1.37) Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15)

20 15 10

5 PASS-3 7λ-Aethalometer

400

600

Hullámhossz [nm]

800

1000

Ångström exponens Grafit

Cseh barna szén

Orosz fekete szén

Faszén

1064355nm

1,15±0,01

1,37±0,03

1,23±0,04

1,05±0,0 9

355-266nm

1,15±0,01

1,66

2,05

2,05

-1

ln( (1 ))  ln( (2 )) AAE (1 , 2 )  ln(1 )  ln(2 )

Normált optikai optikai abszorpció abszorpció[Mm [Mm-1-1]]] Normált optikai abszorpció [Mm Normált

Kalibráció és tesztmérések

30 30 30 25 25 25

Grafit Grafit Cseh Cseh barnaszén barnaszén Grafit (AAE=1.05) Orosz Orosz feketeszén feketeszén Cseh barnaszénFaszén (AAE=1.37) Faszén Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15)

20 20 20 15 15 15 10 10

55 PASS-3 7λ-Aethalometer

400 400 400

600 600 600

Hullámhossz [nm] Hullámhossz [nm] Hullámhossz [nm]

800 800 800

1000 1000

HULIS (Humic-Like Substancies) aeroszol

2

Mass absorption coefficient (m /g)

10

1

0,1

0,01

1E-3 250

4-PAS Hoffer et al, daytime Amazomian sample Hoffer et al, nighttime Amazonian sample Dinar et al, CRD 500

Wavelength (nm)

750

1000

AAE532-1064/AAE532-355, mint forrásindikátor (terepi mérések ) Elemösszetétel-Abszorpció Gázfázis - Abszorpció Módus(méret)-Abszorpció

Méreteloszlásmérő műszerek

Méreteloszlásmérő műszerek

Méreteloszlásmérő műszerek

Szórásmérő

Szórásmérő