Hiukkashäviöt diffuusioon perustuvassa aerosolikokoluokittelijassa

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan diffuusioilmiöön perustuvaa aerosolihiukkasten kokoluokittelulaitetta ja laitteessa tapahtuvia diffuusiosta johtuvia hiukkashäviöitä. Laite mahdollistaa nanometrien kokoisten hiukkasten luokittelun niiden liikkuvuudesta riippuvan diffuusiokertoimenperusteella. Hiukkasen liikkuvuus voidaan edelleen yhdistää sen fyysiseen kokoon, joten tätä ominaisuutta hyödyntäen laite toimii hiukkasten kokoluokittelijana.

Nykyisin yleisesti käytettyihin sähköisiin luokittelumenetelmiin verrattuna diffuusioon perustuvan luokittelun etuna on sen riippumattomuus hiukkasen sähköisistä ominaisuuksista. Hiukkasten teoreettinen varaustehokkuus laskee huomattavasti hiukkaskoon pienentyessä. Bipolaarinen varaustehokkuus 10 nm hiukkasille on noin 10% ja 3 nm hiukkasille noin 1%. Sähköiset luokittelijat voivat luokitella samanaikaisesti hiukkasia, joilla on vain toisen polariteetin varaus, siis käytännössä korkeintaan 5% 10 nm hiukkasista ja 0.5% 1 nm hiukkasista. Työssä esitetty diffuusioluokittelija kykenee luokittelemaan myös varaamattomia hiukkasia. Diffuusion satunnaisluonteesta johtuen työssä käsitellyn luokittelulaitteen teoreettinen hiukkasen koosta ja varauksesta riippumaton maksimiläpäisy on noin 10%. Osana työssä tehtävää mallinnusta esitetään teoreettinen luokittelufunktio työssä tutkitun laitteen kaltaiselle tasogeometrialle.

Laitteen kokonaisläpäisyä on tutkittu kokeellisin mittauksin. Kokeellisissa mittaustuloksissa laitteen kokonaisläpäisyn havaittiin olevan heikko, korkeintaan noin 2%, joka on noin 20 % luokittelun teoreettisesta maksimista. Tässä työssä pyritään selittämään havaittua tulosta mallintamalla laitteen sisäisiä hiukkashäviöitä. Työssä hiukkashäviöinä käsitetään muusta kuin luokittelusta johtuva laitteen läpäisytehokkuuden heikkeneminen. Häviöitä arvioidaan soveltaen laitteen näytteensyötön ja poistomekanismin komponenteille yksinkertaisille geometrioille johdettuja diffuusioyhtälön ratkaisuja. Dominoivana häviötä aiheuttavana mekanismina oletetaan diffuusiosta johtuva hiukkasten depositio virtauskanavien seinämille ja muut häviömekanismit sivuutetaan merkityksettöminä mallinnettavan kokonaishäviön kannalta.

Työssä esitetyn luokittelu- ja häviömallinnuksen tuloksia verrataan kokeellisiin mittaustuloksiin. Mallin havaitaan kuvaavan laitteen hiukkashäviöitä melko hyvin, mutta kokeellisten mittaustulosten suuri hajonta heikentää mallinnuksen luotettavuutta. Tarkempi mallinnus vaatisi laitteen virtausdynamiikan tutkimista esimerkiksi numeerisen laskennan avulla. Kokeellisten ja mallinnettujen tulosten eroista voidaan päätellä laitteen olevan herkkä epäideaalisuuksille. Mittaustilanteessa havaittua laitteen virtaustoiminnan epävakautta voitaisiin parantaa tarkemmin sijoitettavalla ja keskittävällä näytteensyöttömekanismilla. Laitteen heikon läpäisytehokkuuden voidaan todeta johtuvan suurista diffuusiohäviöistä, jotka ovat seurausta laitteen näytteensyötön ja luokitellun hiukkaskoon poistomekanismin geometrioista. Työssä tutkitun laitteen läpäisytehokkuuden merkittävä parantaminen esitetyn kaltaista rakennetta käyttäen on käytännössä mahdotonta.