Ανάπτυξη συστήματος μέτρησης πτητικότητας ατμοσφαιρικών οργανικών σωματιδίων
| datacite.contributor.RelatedPerson | Αρμάου, Αντώνης | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Βαγενάς, Δημήτρης | |
| datacite.contributor.Supervisor | Πανδής, Σπύρος | |
| dc.contributor.author | Γκέρμπουρας, Γιώργος | |
| dc.contributor.other | Gkermpouras, Giorgos | |
| dc.date.accessioned | 2026-10-13T09:39:53Z | |
| dc.date.available | 2026-10-13T09:39:53Z | |
| dc.date.issued | 2026-10-05 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.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. | |
| dc.description.translatedabstract | Particulate matter is recognized as one of the most harmful atmospheric pollutants to human health. Particles’ toxicity is size dependent, increasing drastically for finer particles that can easily bypass the human body’s defenses. The largest fraction of these atmospheric particles consists of secondary organic aerosol, which forms through the oxidation of volatile organic compounds. The partitioning of the products of this reaction into the particulate phase is determined by their volatility. This thesis focuses on the study and estimation of this critical property. The study of particle volatility distribution was carried out through a combination of experiments and computational modeling. The experimental technique employed is based on the Volatility Tandem Differential Mobility Analysis (V-TDMA) system which is used for volatility measurements. This method relies on monitoring the change in particle diameter during evaporation at a specific temperature and residence time. In parallel, a computational model was developed based on the mass transfer equations describing the phenomenon. In the first part of the thesis, the reliability of the experimental system was verified using ammonium sulfate particles, which do not evaporate at low temperatures. The findings demonstrated satisfactory repeatability of the measurements, as well as a negligible discrepancy between the bypass line and the heated tube line of the setup. The system was further evaluated through measurements of the volatility of cis-pinonic acid, as these values are directly comparable to corresponding literature data. Specifically for this known compound, which is also a product of α-pinene oxidation, the saturation vapor pressure at 298 K was found to be p⁰ = 3.4 × 10⁻⁶ Pa and the enthalpy of vaporization was found to be ΔH = 98 kJ mol⁻¹. In the main part of the thesis, the volatility of secondary organic aerosol particles formed from ozonolysis of α-pinene was studied. Τhe simulation of particle evaporation was carried out through the development of a computational model. This model approximates particles, which in reality consist of a large number of oxidation products, using four surrogate components of known volatility according to the Volatility Basis Set. The parameters used in the simulation were initially taken from the literature and were evaluated during the comparison of theoretical predictions with the corresponding experimental measurements. This analysis led to the conclusion that mass transfer within the particles is subject to significant kinetic limitations, with the mass accommodation coefficient found to be substantially lower than unity, equal to 0.004. Furthermore, the low enthalpy of vaporization values on the order of 30 kJ mol⁻¹ reported by past studies fail to correctly capture the particles’ temperature response and are probably adopted to compensate for the assumed high accommodation coefficient values. Values on the order of 107 kJ mol⁻¹ for all components, or component specific values, lead to better agreement between the model and the experimental data. These results highlight the importance of using realistic kinetic and thermodynamic parameters in models that predict the behavior of secondary organic aerosol. The model developed in this study could serve as a basis for future application of the inverse approach, aimed at determining the volatility distribution of unknown particles. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/33057 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Δευτερογενές οργανικό αεροζόλ | |
| dc.subject | Πτητικότητα | |
| dc.subject | α-πινένιο | |
| dc.subject | Οργανικά σωματίδια | |
| dc.subject | Οζονόλυση | |
| dc.subject.alternative | Secondary organic aerosol | |
| dc.subject.alternative | Volatility | |
| dc.subject.alternative | TDMA | |
| dc.subject.alternative | a-pinene | |
| dc.subject.alternative | Ozonolysis | |
| dc.title | Ανάπτυξη συστήματος μέτρησης πτητικότητας ατμοσφαιρικών οργανικών σωματιδίων | |
| dc.title.alternative | Development of a volatility measurement system for atmospheric organic particles |