Ανάπτυξη συστήματος μέτρησης πτητικότητας ατμοσφαιρικών οργανικών σωματιδίων
Loading...
Date
2026-10-05
Authors
Γκέρμπουρας, Γιώργος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Τα αιωρούμενα σωματίδια χαρακτηρίζονται ως ένας από τους πιο επιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία ατμοσφαιρικούς ρύπους. Η επικινδυνότητά τους αυξάνεται δραματικά όσο μειώνεται η διάμετρός τους, καθώς τα μικρότερα σωματίδια ξεπερνούν πολύ πιο εύκολα τις άμυνες του ανθρώπινου σώματος. Το μεγαλύτερο μέρος των σωματιδίων αυτών στην ατμόσφαιρα αποτελείται από το δευτερογενές οργανικό αεροζόλ, το οποίο σχηματίζεται με την οξείδωση πτητικών οργανικών ενώσεων. Η οξείδωση των οργανικών ενώσεων γίνεται και μέσω της αντίδρασης τους με το όζον, ενώ παράγεται ένας μεγάλος αριθμός προϊόντων. Η κατανομή των προϊόντων της συγκεκριμένης αντίδρασης στην σωματιδιακή φάση καθορίζεται από την πτητικότητα τους. Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην μελέτη και στην εκτίμηση αυτής της κρίσιμης ιδιότητας.
Η μελέτη της κατανομής πτητικότητας των σωματιδίων πραγματοποιήθηκε με τον συνδυασμό πειραμάτων και υπολογιστικής μοντελοποίησης. Η πειραματική τεχνική που χρησιμοποιήθηκε βασίζεται στο σύστημα Volatility Tandem Differential Mobility Analysis (V-TDMA) που χρησιμοποιείται για μετρήσεις πτητικότητας. Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στην παρακολούθηση της μεταβολής της διαμέτρου των σωματιδίων κατά την εξάτμιση τους σε συγκεκριμένη θερμοκρασία και χρόνο. Παράλληλα αναπτύχθηκε το αντίστοιχο υπολογιστικό μοντέλο βασισμένο στις εξισώσεις μεταφοράς μάζας που περιγράφουν το φαινόμενο.
Στο πρώτο μέρος της εργασίας, ελέγχθηκε η αξιοπιστία του πειραματικού συστήματος με σωματίδια θειικού αμμωνίου τα οποία δεν εξατμίζονται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τα ευρήματα ανέδειξαν ικανοποιητική επαναληψιμότητα των μετρήσεων και αμελητέα αλλαγή της διαμέτρου των σωματιδίων κατά το πέρασμά τους από τον θερμαινόμενο σωλήνα. Το σύστημα ελέγχθηκε περαιτέρω με τα αποτελέσματα της μέτρησης της πτητικότητας του cis-πινονικού οξέος, καθώς είναι άμεσα συγκρίσιμα με τα αντίστοιχα της βιβλιογραφίας. Για την ένωση αυτή που αποτελεί προϊόν της οξείδωσης του α-πινενίου, προέκυψε η τιμή της τάσης ατμών στους 298 K ίση με p⁰ = 3.4 × 10⁻⁶ Pa και η ενθαλπία εξάτμισης ίση με ΔH = 98 kJ mol⁻¹.
Στο κύριο μέρος της εργασίας μελετήθηκε η πτητικότητα πολυσυστατικών σωματιδίων δευτερογενούς οργανικού αεροζόλ, που δημιουργήθηκαν από την οξείδωση α-πινενίου με όζον. Η προσομοίωση της εξάτμισης των σωματιδίων πραγματοποιήθηκε με το κατάλληλο υπολογιστικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο αυτής της εργασίας. Το μοντέλο αυτό προσεγγίζει το αεροζόλ με τέσσερα αντιπροσωπευτικά συστατικά με γνωστές πτητικότητες σύμφωνα με το Volatility Basis Set, καθώς στην πραγματικότητα αποτελείται από έναν μεγάλο αριθμό προϊόντων οξείδωσης. Οι παράμετροι για την προσομοίωση λήφθηκαν από τη βιβλιογραφία και ελέγχθηκαν με τη σύγκριση των θεωρητικών προβλέψεων με τις αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις.
Η ανάλυση οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η μεταφορά μάζας στα σωματίδια έχει σημαντικούς κινητικούς περιορισμούς με τον συντελεστή προσαρμογής μάζας να προκύπτει σημαντικά μικρότερος της μονάδας και ίσος με 0.004. Επιπλέον οι χαμηλές τιμές ενθαλπίας εξάτμισης της τάξης των 30 kJ mol⁻¹ που έχουν βρεθεί σε παλαιότερες μελέτες δεν μπορούν να περιγράψουν σωστά την θερμοκρασιακή απόκριση των σωματιδίων και πιθανότατα υιοθετήθηκαν ώστε να αντισταθμίσουν μεγαλύτερες τιμές του συντελεστή προσαρμογής. Τιμές της τάξης των 107 kJ mol⁻¹ ίδιες για όλα τα συστατικά ή εξειδικευμένες τιμές ανά συστατικό οδηγούν σε καλύτερη συμφωνία του μοντέλου με τα πειραματικά δεδομένα. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν τη σημασία της χρήσης ρεαλιστικών κινητικών και θερμοδυναμικών παραμέτρων στα μοντέλα πρόβλεψης της συμπεριφοράς δευτερογενούς οργανικού αεροζόλ.
Το μοντέλο που αναπτύχθηκε στην παρούσα μελέτη μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μελλοντική εφαρμογή της αντίστροφης προσέγγισης (inverse modeling), με στόχο τον προσδιορισμό της κατανομής πτητικότητας αγνώστων σωματιδίων.
Description
Keywords
Δευτερογενές οργανικό αεροζόλ, Πτητικότητα, α-πινένιο, Οργανικά σωματίδια, Οζονόλυση