Haihtumattomien aerosolihiukkasten lukumääräpitoisuus vilkasliikenteisessä katukuilussa

Abstract

Euroopan unionin lainsäädännössä ajoneuvojen hiukkaslukumääräpäästön rajoitukset ottavat huomioon vain yli 23 nm:n kokoiset haihtumattomat hiukkaset. Vaikka alle 23 nm:n päästöhiukkasten tiedetään monissa tapauksissa olevan haihtuvia, on tässä kokoluokassa havaittu myös haihtumattomia hiukkasia. Tässä diplomityössä tutkittiin haihtumattomien aerosolihiukkasten lukumääräpitoisuutta vilkasliikenteisessä katukuilussa Mäkelänkadulla, Helsingissä. Kondensaatiohiukkaslaskuripatterilla (CPC-patteri) mitattiin samanaikaisesti 1,4 nm:ä, 3 nm:ä, 10 nm:ä ja 23 nm:ä suurempien hiukkasten lukumääräpitoisuutta sekunnin aikaresoluutiolla kuukauden ajan toukokuussa 2018. Haihtuvien yhdisteiden poisto toteutettiin näytelinjassa kuuman ja kylmän ejektorilaimentimen yhdistelmällä. Hiukkaset luokiteltiin haihtumattomiksi, jos ne olivat olemassa 300 °C:n lämpökäsittelyn jälkeen. Näytelinjan häviöt mitattiin ja karakterisoitiin työssä huolellisesti. CPC-patteri osoittautui toimivaksi työkaluksi tienvarsimittauksiin, joissa hiukkasten koko ja lukumääräpitoisuus saattavat vaihdella suuresti lyhyellä aikavälillä. Mäkelänkadun mittausten alkupuolella lämpökäsittely tuotti virheellistä pitoisuutta 1,4–3 nm:n kokoluokassa. Suuremmissa kokoluokissa vastaavaa ilmiötä ei havaittu. Alle 23 nm:n haihtumattomien hiukkasten lukumääräpitoisuus kohosi Mäkelänkadulla aamuruuhkan aikaan. Tämä viittaa siihen, että ajoneuvopäästöt sisälsivät pieniä haihtumattomia hiukkasia. Kokoluokan 3–23 nm haihtumattomien hiukkasten päästökertoimeksi määritettiin likimäärin 4×10^14 #/(kg polttoainetta), joka oli noin kolme kertaa suurempi kuin yli 23 nm:n kokoisille haihtumattomille hiukkasille määritetty päästökerroin. Tutkimusten merkittävin havainto oli se, että yli 23 nm:n haihtumattomien hiukkasten pitoisuuden osuus haihtumattomien hiukkasten kokonaislukumääräpitoisuudesta oli alle 10 %. On siis mahdollista, ettei suurinta osaa ajoneuvojen lukumääräpäästöstä säädellä lainsäädännössä. Aihepiiri vaatii lisätutkimuksia, sillä tämän tutkimuksen perusteella nykyiseen lainsäädäntöön voisi olla syytä tehdä muutoksia.

The European Union legislation limiting the number of particles emitted by vehicles takes into account only non-volatile particles above 23 nm in size. Even though sub-23 nm emission particles are in many cases known to be volatile, also non-volatile particles have been observed in this size range. In this work, the number concentration of non-volatile aerosol particles was studied in a busy street canyon at Mäkelänkatu, Helsinki. A Condensation Particle Counter Battery (CPC Battery) was used to measure simultaneously the number concentration of particles larger than 1.4 nm, 3 nm, 10 nm, and 23 nm with a time resolution of one second for one month in May 2018. Volatile compounds were removed in the sampling line using a combination of a hot and a cold ejector diluter. Particles were classified non-volatile, if they existed in the downstream of the thermal treatment of 300 °C. Losses in the sampling line were measured and characterized carefully in this study. The CPC Battery was found to be an advantageous measurement tool for roadside measurements as the concentration and particle size may be highly variable. In the beginning of Mäkelänkatu measurements, the thermal treatment produced an artefact in the size range of 1.4–3 nm. However, no such phenomenon occurred in other size ranges. The number concentration of non-volatile sub-23 particles increased during the morning rush hour in Mäkelänkatu. This suggests that the vehicle emissions contained small non-volatile particles. The emission factor of approximately 4×10^14 #/(kg fuel) was calculated for the number concentration of non-volatile 3–23 nm particles. This was about three times greater than the emission factor calculated for non-volatile particles above 23 nm in size. The most significant observation of this study was that the number concentration of non-volatile particles above 23 nm in size accounted for less than 10 % of the total non-volatile particle number concentration. Thus, it is possible that the majority of emission particles are not regulated by legislation. The topic calls for further research as, according to this study, amendments may be needed to the current legislation.