Aerosolihiukkasten tiheyden määrittäminen reaaliaikaisilla menetelmillä

Abstract

Aerosolien kokojakaumia voidaan muodostaa esimerkiksi massan tai lukumäärän avulla. Koska eri laitteet mittaavat eri jakaumia, on tärkeää pystyä muuttamaan jakaumat toisikseen. Tiheys on merkittävä suure aerosolien tutkimisen kannalta, koska sen avulla tunnetun massajakauman voi muuttaa lukumääräjakaumaksi ja päinvastoin. Tiheyden määrittäminen on kuitenkin hyvin haastavaa, joten yleensä se korvataan efektiivisellä tiheydellä, joka huomioi tiheyden lisäksi myös hiukkasen muodon ja sisäisten onteloiden vaikutukset hiukkaseen.

Tässä työssä nokihiukkasten, Cab-O-Jet 300-hiukkasten ja erinäisten suolojen efektiivisiä tiheyksiä pyrittiin määrittämään kolmen eri menetelmän avulla. Tutkittavien hiukkasten kokojakaumia mitattiin eri laitteilla, jotka kaikki mittasivat kokojakaumaa eri ekvivalenttihalkaisijan suhteen. Mitattujen ekvivalenttihalkaisijoiden avulla saatiin määritettyä hiukkasten efektiivinen tiheys liikkuvuushalkaisijan funktiona kolmella tavalla. Käytetty mittausdata kerättiin Tampereen yliopiston aerosolifysiikan laboratoriossa kesän 2025 aikana.

Työn pääasiallisena tarkoituksena oli vertailla eri menetelmillä määritettyjä tiheyskuvaajia toisiinsa ja tutkia niiden välisiä yhtäläisyyksiä ja eroja. Lisäksi pyrittiin selvittämään, kuinka hyvin Cambustionin massa-liikkuvuusaerosolispektrometri (M²AS) sopii erilaisten hiukkasten tiheyksien määrittämiseen. Tuloksista havaittiin, että kaikki menetelmät vaikuttavat nokihiukkasten tapauksessa toimivan hyvin, sillä nokihiukkasille saadut tiheydet olivat kaikilla menetelmillä hyvin lähellä toisiaan. 100 nm kokoisten nokihiukkasten tiheydeksi saatiin määritettyä noin 0,42±0,04 g/cm³.

Cab-O-Jet 300-hiukkasten kohdalla eri menetelmillä saaduissa tuloksissa oli huomattavasti suurempia eroja, joten ainakaan kaikki menetelmät eivät vaikuta soveltuvan yhtä hyvin niiden tutkimiseen. Eniten ongelmia aiheuttivat kuitenkin suolahiukkaset. M²AS-menetelmä oli ainoa, jolla pystyttiin määrittämään kaikkien suolojen efektiivinen tiheys liikkuvuushalkaisijan funktiona. Menetelmällä saatiin kuitenkin kaikille tutkituille suoloille vakiotiheys, joka kertoo siitä, että tutkitut hiukkaset olisivat pallomaisia. Näin ei kuitenkaan oletettavasti ole kaikkien tutkittujen suolojen kohdalla, joten voi olla, että tuloksissa on jonkinlainen virhe. Tämän vuoksi suolojen tiheyksien määrittäminen M²AS:n avulla vaatiikin vielä lisää tutkimusta. Tämä työ kuitenkin kertoo, että M²AS vaikuttaa hyvältä laitteelta ainakin nokihiukkasten ja Cab-O-Jet 300-hiukkasten tiheyden määrittämiseen. Myös muut menetelmät toimivat ainakin nokihiukkasten tapauksessa.