Uusi mittausmenetelmä metallipitoisuuksien määrittämiseksi pienhiukkasista

Uutta menetelmää testattiin energiantuotannosta syntyviin hiukkasiin. Mittauspaikkana oli raskasta polttoöljyä polttoaineena käyttävä voimalaitos Helsingissä. Mittaukset osoittivat, että energiantuotannosta syntyvissä hiukkasissa oli useita eri metalleja, metallioksideja ja metallisuoloja, kuten esimerkiksi vanadiini-, kalsium-, rauta- ja bariumsulfaattia.

Menetelmä kehitettiin 13 metallille; natriumille, alumiinille, kalsiumille, vanadiinille, kromille, mangaanille, raudalle, nikkelille, kuparille, sinkille, rubidiumille, strontiumille ja bariumille. Menetelmän kehityksessä keskityttiin erityisesti metallien pitoisuuksien tarkkaan määrittämiseen. Pitoisuuksien laskemista varten metalleille määritettiin kokeellisesti suhteelliset ionisoitumistehokkuudet (relative ionization efficiency, RIE), joita verrattiin kirjallisuudesta saatuihin arvoihin. Kokeellisesti määritetyt RIE-arvot poikkesivat jonkun verran teoreettisista arvoista. Kokeelliset arvot olivat teoreettisia suuremmat sellaisille metalleille, jotka ionisoituivat termisesti hiukkasten pinnalla. Tällaisia metalleja olivat alkali- ja maa-alkalimetallit natrium, rubidium, kalsium, strontium ja barium. Siirtymämetalleista sinkille, kuparille, vanadiumille ja kromille kokeelliset ja teoreettiset RIE-arvot olivat lähellä toisiaan. Mangaanille, raudalle ja nikkelille kokeellisesti määritetyt RIE-arvot olivat selvästi teoreettisia pienempiä. Kyseiset metallit saattoivat muodostaa sellaisia metallikomplekseja, joita kehitetyillä menetelmällä ei pystytty määrittämään.  

Uusi mittausmenetelmä perustuu nokiaerosolimassaspektrometrin (Soot Particle Aerosol Mass Spectrometer, SP-AMS) käyttöön. Tässä mittaustekniikassa metallit höyrystetään laserin avulla, minkä jälkeen ne ionisoidaan, ja näin muodostuvat ionit analysoidaan massaspektrometrillä. Jotta metallit saadaan höyrystettyä laserilla, niiden täytyy olla samoissa hiukkasissa kuin jokin laserin valoa absorboiva yhdiste, esimerkiksi noki, tai metallien täytyy itse absorboida laserin valoa. Laite onkin alun perin kehitetty nokihiukkasten mittaamiseen. Tässä työssä valoa absorboivana yhdisteenä ja metallien kantajana käytettiin Regal Black-pigmenttiä.

Metalleja pääsee ilmakehään erilaisista polttotapahtumista, esimerkiksi autojen moottoreista ja teollisuusprosesseista, sekä mekaanisista prosesseista kuten tuulen irrottamasta maa-aineksesta. Useat metallit ovat hengitettyinä haitallisia terveydelle ja siksi niiden pitoisuuksia ilmassa seurataan tarkasti. Tavallisesti pienhiukkasten sisältämien metallien pitoisuudet määritetään suodattimelle kerätyistä hiukkasnäytteistä, jotka analysoidaan myöhemmin laboratoriossa. Hiukkasnäytteitä kerätään yleensä useista tunneista muutamaan vuorokauteen. Tässä tutkimuksessa kehitetyllä menetelmällä hiukkasten metallipitoisuuksia voidaan mitata jopa muutaman sekunnin aikaresoluutiolla, minkä vuoksi on mahdollista havaita hyvin nopeita muutoksia hiukkasten kemiallisessa koostumuksessa. Mittausten reaaliaikaisuus auttaa myös metallien päästölähteiden tunnistamisessa. Lisäksi menetelmällä saadaan määritettyä se, minkä kokoisissa hiukkasissa metallit ovat. Tämä on tärkeä tieto, sillä hiukkasen koko määrittelee sen, kuinka pitkälle hengitysteissä hiukkanen kulkeutuu ja jäävätkö hiukkaset keuhkoihin.

Tutkimus tehtiin osana juuri päättynyttä TEKES:in Energian ja ympäristön strategisen huippuosaamisen keskittymän (CLEEN; Cluster for Energy and Environment) Ympäristön mittaus ja monitorointi (MMEA; Measurement, Monitoring and Environmental Assesment) -tutkimusohjelmaa, jossa kehitettiin muun muassa uusia mittaustekniikoita päästömittauksiin.

Lisätietoja:

Sanna Saarikoski, puh. 050 590 6091, sanna.saarikoski@fmi.fi

Carbone, S., Onasch, T., Saarikoski, S., Timonen, H., Saarnio, K., Sueper, D., Rönkkö, T., Pirjola, L., Häyrinen, A., Worsnop, D., Hillamo, R.: Characterization of trace metals on soot aerosol particles with the SP-AMS: detection and quantification. Atmos. Meas. Tech. 8, 4803–4815.

http://www.atmos-meas-tech.net/8/4803/2015/amt-8-4803-2015.pdf