Kannettavien kaasusensoreiden käyttö sekundäärisen aerosolin koostumusmittauksessa

Abstract

Jotta päästölähteen todellinen vaikutus ihmisten terveyteen ja ilmastoon voidaan ymmärtää, on tuoreen päästön lisäksi huomioitava sen kehittyminen ilmakehässä. Päästöaerosolin ikääntyessä sen vaikutukset riippuvat muodostuvan sekundäärisen aerosolin kokonaismassan lisäksi myös massan koostumuksesta. Päästölähteen sekundäärisen aerosolin muodostuspotentiaalin mittaamiseen on kehitetty hapetusvirtauskammioita (OFR), jotka simuloivat useiden päivien ikääntymistä muutamissa kymmenissä sekunneissa. Tässä diplomityössä esitellään, miten sähkökemiallisia kaasusensoreita voitaisiin käyttää sekundäärisen aerosolin koostumuksen arviointiin, ja valmistellaan sensorit käytettäväksi. Lisäksi käsitellään mahdollisuutta käyttää kaasusensoreita OFR:n olosuhteiden seurantaan.

Työssä esitellään ilmakehän aerosolien ominaisuuksia, niiden vaikutuksia ilmastoon ja ihmisten terveyteen, muodostumisprosesseja sekä aerosolien ikääntymistä ilmakehässä. Työssä on esitelty sähkökemiallisten kaasusensoreiden sekä hapetusvirtausreaktorin toimintaperiaatteet ja laitteisto, jonka avulla niitä voitaisiin käyttää sekundäärisen aerosolin orgaanisen ja epäorgaanisen massan osuuden arvioimiseen.

Työn kokeellisessa osassa on kalibroitu kaasusensorit sekä mitattu niiden ristiherkkyyksiä ja vasteajat. Työssä on käytetty CO-, NO-, NO2-, SO2- ja NH3-sensoreita. Tulosten perusteella kaasusensoreiden vaste kohdekaasun suhteen on lineaarinen, ja NH3-sensoria lukuun ottamatta vasteajat riittävät kohtuullisen hyvän aikaresoluution saavuttamiseen kaasuja mitatessa.

Ristiherkkyydet vaikuttavat olevan merkittävä ongelma sensoreiden käytössä. SO2-sensorin ristiherkkyydet O3:n ja NO2:n kanssa saattavat tehdä sen käytöstä mahdotonta OFR-mittauksissa. Useiden sensorien vaste kohdekaasun kanssa vaikutti muuttuvan mittauspäivien välillä, joten sensoreiden säännöllinen kalibrointi saattaa olla tarpeellista. NO -sensori vaikuttaa mittausten perusteella käyttökelpoiselta OFR:ään tulevan NO-pitoisuuden seuraamiseen, ja CO-sensorilla voidaan seurata näytteen valokemiallista ikää.

Tämän diplomityön perusteella voidaan todeta, että sähkökemiallisten kaasusensoreidenkäyttö OFR:n olosuhteiden seurannassa on mahdollista, kunhan sensoreiden ristiherkkyydet korjataan. Sekundäärisen aerosolimassan orgaanisen ja epäorgaanisen osuuden arviointiin sensorit voisivat soveltua, mikäli ristiherkkyydet saadaan korjattua. Kuitenkin esimerkiksi SO2-sensorin voimakkaat negatiiviset ristiherkkyydet NO2 ja O3 kanssa saattavat tehdä korjaamisesta vaikeaa.

To understand the true effects of an emission source on human health and the climate, the atmospheric aging of the emission needs to be considered in addition to the fresh emission. As the emission ages, its effects depend on the total mass formed as well as the composition of that mass. Oxidation flow reactors (OFRs) have been developed to measure the secondary aerosol formation potential of emission sources by simulating multiple days of atmospheric aging in the span of tens of seconds. This thesis presents an approach in which electrochemical gas sensors could be used to estimate secondary aerosol composition during OFR measurements and to monitor the conditions within the OFR.

This thesis outlines the properties of atmospheric aerosols, their effects on human health and the climate, their formation processes, and their aging in the atmosphere. The operating principles of electrochemical gas sensors and OFRs are presented, along with a measurement setup for estimating the inorganic and organic fractions of secondary aerosol.

In the experimental part of this work, the gas sensors are calibrated, and their response times and selected cross sensitivities are measured. CO-, NO -, NO2-, SO2- and NH3-sensors are used. Based on the results, the response of the gas sensors to their target gas is linear, and with the exception of the NH3-sensor, the response times are sufficiently short to achieve reasonable time resolution in gas measurements.

Cross sensitivities appear to be a significant limitation in the use of the sensors. SO2- sensor’s cross sensitivity with O3 and NO2 might make it impossible to use in an OFR measurement. The response of many sensors appears to vary between measurement days, which emphasizes the importance of regular calibration. Based on the results, the NO -sensor appears to be suitable for monitoring¨the NO -concentration entering the OFR, and the CO-sensor can be used to monitor the photochemical age of the sample in the OFR.

Based on this thesis, the electrochemical gas sensors can be used to monitor the OFR conditions, provided that cross sensitivities are corrected. The use of gas sensors to approximate the fractions of organic and inorganic secondary aerosol mass could be possible if cross sensitivities can be accounted for. However, for example, the SO2-sensor’s strong negative cross sensitivities with O3 and NO2 might make the corrections difficult.