Preview

Приборы и методы измерений запылённости окружающей воздушной среды. Краткий обзор

https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-1-7-16

Аннотация

Представлены основные характеристики переносимых воздухом микро/наночастиц, их влияние на здоровье человека и нормативы качества воздушной среды. Международные стандарты классифицируют микрочастицы по размеру (PM10, PM2,5, PM1, UFP), определяют предельно допустимые концентрации и методики их контроля. Особое внимание уделяется контролю углероди вируссодержащих микрочастиц. Для мониторинга воздушной среды в закрытых помещениях, в транспорте требуются портативные датчики микро-, наночастиц с возможностями их классификации по размеру и электрофизическим характеристикам.

Детектирование микрочастиц включает сортировку попадающих в детектор микро/наночастиц по размеру и типу материала и собственно детектирование однотипных частиц с последующей классификацией по размеру, электрофизическим и морфологическим характеристикам. Разделение нано и микрочастиц по размеру перед детектированием повышает чувствительность и селективность детектора как по размерам, так и по материалу. Для интеграции в сенсоре Lab-on-Chip типа рассмотрены методы виртуального импактора и диэлектрофореза. Детектирование микрочастиц осуществляется с выделением дисперсной фазы из аэрозоля с последующим анализом либо непосредственно в воздушном потоке. Приведена классификация методов детектирования по быстродействию и функциональным возможностям. Среди методов детектирования частиц микронных и субмикронных размеров наиболее пригодны для миниатюризации и серийного изготовления Lab-on-Chip сенсоров мультиволновые фотоэлектрические, МЭМС, конденсаторные элементы.

Технологии микроэлектромеханики, микрофлюидики и микрооптики позволяют создавать портативные сенсорные системы типа Lab-on-Chip для детектирования твёрдых частиц микронного и субмикронного размера. Представлен прототип детектора микро-, наночастиц на основе алюмооксидной технологии с использованием МЭМС элементов для компактного сенсора Lab-on-Сhip типа. Предлагаемая конструкция многофункционального портативного детектора микро/наночастиц воздушной (газовой) среды перспективна для применения в промышленности, транспорте, медицине, общественных и жилых помещениях.

Об авторах

Н. И. Мухуров
«Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника» ГНПО
Беларусь

пр-т Независимости, 68, г. Минск 220072



А. А. Ходин
«Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника» ГНПО
Беларусь

Адрес для переписки: Ходин А.А. – ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника», пр-т Независимости, 68, г. Минск 220072, Беларусь,
e-mail: aahodin@gmail.com



Ёнг-Чжун Kим
Университет Ёнсе, Колледж инженерии
Южная Корея

Сеул 03722



Список литературы

1. World Health Organization (WHO). 7 million premature deaths annually linked to air pollution,014. Access mode: http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution. Date of access: 11.01.2021.

2. International Standardization Organization. ISO 23210:2009. Stationary source emissions – determination of PM10/PM2.5 mass concentration in flue gas – measurement at low concentrations by use of impactors. Last reviewed and confirmed in 2015. Access mode: https://www.iso.org/standard/53379.html. Date of access: 11.01.2021.

3. Butterfield D.M., Quincey P. Measurement science issues relating to PM10 and PM2.5 airborne particles. National Physical Laboratory (NPL) Report AS 15, 2007, 36 p. ISSN 1754-2928. Teddington, Middlesex, UK.

4. World Health Organization (WHO). Air quality guidelines for particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide. Global update 2005. Summary of risk assessment. Access mode: http://whqlibdoc.who.int/hq/2006/WHO_SDE_PHE_OEH_06.02_eng.pdf. Date of access: 11.01.2021.

5. European Commission. Directive 2008/50/EC of the European Parliament and of the Council of 21 May 2008 on ambient air quality and cleaner air for Europe. Access mode: http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32008L0050&from=EN. Date of access: 11.01.2021.

6. U.S. Environmental Protection Agency. National Ambient Air Quality Standards for Particulate Matter. Federal Register 61144, 2006. Access mode: https://www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR-2006-10-17/pdf/06-8477.pdf. Date of access: 11.01.2021.

7. China Environmental Science Press. Ambient Air Quality Standards. National Standard of the People’s Republic of China GB 3095, 2012. Access mode: http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqhjzlbz/201203/W020120410330232398521.pdf. Date of access: 11.01.2021.

8. Long C.M., Nascarella M.A., Valberg P.A. Carbon black vs. black carbon and other airborne materials containing elemental carbon: physical and chemical distinctions. Review. Environmental Pollution, 2013, vol. 181, pp. 271–286. DOI: 10.1016/j.envpol.2013.06.009

9. Andreae M.O., Gelencsér A. Black carbon or brown carbon? The nature of light-absorbing carbonaceous aerosols. Atmospheric Chemistry and Physics, 2006, vol. 6, pp. 3131–3148. DOI: 10.5194/acp-6-3131-2006

10. Levy L., Chaudhuri I.S., Krueger N., McCunney R.J. Does carbon black disaggregate in lung fluid? A critical assessment. Chemical Research in Toxicology, 2012, vol. 25, pp. 2001–2006. DOI: 10.1021/tx300160z

11. Pan M., Lednicky J.A., Wu C.-Y. Collection, particle sizing and detection of airborne viruses. Journal of Applied Microbiology, 2019, vol. 127, pp. 1596–1611. DOI: 10.1111/jam.14278

12. Cuffari B. The size of SARS-CoV-2 and its implications. News-Medical.net – An AZoNetwork Site. Access mode: www.news-medical.net. Date of access: 02.15.2021.

13. Tang J.W. The effect of environmental parameters on the survival of airborne infectious agents. Journal of the Royal Society Interface, 2009, vol. 6 (Suppl. 6), pp. S737–746. DOI: 10.1098/rsif.2009.0227.focus

14. Hinds W.C. Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles. 2nd edition. New York, NY: Wiley. 1998. ISBN: 978-0-47119410-1.

15. Li X., Qi X., Ma J., Pan Y., Tian T., Zhang Y., Li Z., Li W., Sun L., Zhang L., Zhang Z., Wang Q., Yao M. SARS-CoV-2 remained airborne for a prolonged time in a lockdown confined space. Aerosol and Air Quality Research, 2022, vol. 22, pap. 210131. DOI: 10.4209/aaqr.210131

16. Zhao J., Birmili W., Wehner B., Daniels A., Weinhold K., Wang L., Merkel M., Kecorius S., Tuch T., Franck U., Hussein T., Wiedensohler A. Particle mass concentrations and number size distributions in 40 homes in Germany: indoor-to-outdoor relationships, diurnal and seasonal variation. Aerosol and Air Quality Research, 2020, vol. 20, pp. 576–589. DOI: 10.4209/aaqr.2019.09.0444

17. Chow J.C., Watson J.G. Guideline on Speciated Particulate Monitoring. Prepared for N. Frank, J. Homolya, Eds. US Environmental Protection Agency. Draft 3. 1998. Access mode: https://www3.epa.gov/ttnamti1/files/ambient/pm25/spec/drispec.pdf. Date of access: 11.01.2021..

18. Yoo Seong-Jae, Jeon Jae-Wan, Kim Yong-Jun. Lab-on-printed circuit board based water harvesting condensation particle counter for ubiquitous monitoring of airborne ultrafine particles. Journal of Aerosol Science, 2022, vol. 160, pap. 105911 (14 p.). DOI: 10.1016/j.jaerosci.2021.105911

19. Karali D., Loupa G., Rapsomanikis S. Nephelometer sensitivities for the determination of PM2.5 mass concentration in ambient and indoor air. Aerosol and Air Quality Research, 2020, vol. 21, no. 1, pap. 200159 (8 p.). DOI: 10.4209/aaqr.2020.04.0159

20. European Standard EN 12341:2014. Ambient air – Standard gravimetric measurement method for the determination of the PM10 or PM2.5 mass concentration of suspended particulate matter. Access mode: https://www.nbn.be/shop/en/standard/nbnen-12341-2014_38804/. Date of access: 11.01.2021.

21. Foster K., Pokhrel R., Burkhart M., Murphy S. A novel approach to calibrating a photoacoustic absorption spectrometer using polydisperse absorbing aerosol. Atmospheric Measurement Techniques, 2019, vol. 12, no. 6, pp. 3351–3363. DOI: 10.5194/amt-12-3351-2019

22. Dekoninck L., Botteldooren D., Panis L.I., Hankey S., Jain G., Karthik S., Marshall J. Applicability of a noise-based model to estimate in-traffi exposure to black carbon and particle number concentrations in different cultures. Environment International, 2015, vol. 74, pp. 89–98. DOI: 10.1016/j.envint.2014.10.002

23. Mukhurov M., Khodin A. Multiwavelength sensor of gas/airborne microparticles. 14th International Scientific and Technical Conference “Instrumentation – 2021”, Minsk, November 17–19 2021. Proc. BNTU, Minsk, Belarus, 2021, pp. 436–438 (in Russian).

24. Di Huige, Wang Zhixiang, Hua Dengxin. Precise size distribution measurement of aerosol particles and fog droplets in the open atmosphere. Optics Express, 2019, vol. 27, no. 12, pp. A890–A908. DOI: 10.1364/OE.27.00A890

25. Saturno J., Pöhlker C., Massabò D., Brito J., Carbone S., Cheng Y., Chi X., Ditas F., Hrabě de Angelis I., Morán-Zuloaga D., Pöhlker M.L., Rizzo L.V., Walter D., Wang Q., Artaxo P., Prati P., Andreae M.O. Comparison of different Aethalometer correction schemes and a reference multi-wavelength absorption technique for ambient aerosol data. Atmospheric Measurement Techniques, 2017, no. 10, pp. 2837–2850. DOI: 10.5194/amt-10-2837-2017

26. Rhee C., Yang H., Kim S. A PM1, PM2.5, and PM10 airborne particle detector with laser illumination stabilized by optical feedback. IEEE Sensors Journal, 2020, vol. 20, no. 4, pp. 1988–1996. DOI: 10.1109/JSEN.2019.2949008

27. Cubic Sensors and Instrument Co., Ltd. Access mode: https://en.gassensor.com.cn/index.html. Date of access: 01.20.2022.

28. Kim H.-L., Han J.S., Lee S.-M., Kwon H.B., Hwang J., Kim, Y.-J. Ultrafine particle counter using a MEMS-based particle processing chip. 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Estoril, Portugal, January 18–22, 2015, Proc., pp. 559–562. DOI: 10.1109/MEMSYS.2015.7051016

29. Wasisto H.S., Merzsch S., Waag A., Uhde E., Salthammer T., Peiner E. Airborne engineered nanoparticle mass sensor based on a silicon resonant cantilever. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, no. 180, pp. 77–89. DOI: 10.1016/j.snb.2012.04.003

30. Gilliam J.H., Hall E.S. Reference and Equivalent Methods Used to Measure National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) Criteria Air Pollutants – Vol. I. U.S. Environmental Protection Agency, EPA/600/R-16/139. 2016. Access mode: https://cfpub.epa.gov/si/si_public_ record_report.cfm?dirEntryId=321491. Date of access: 11.01.2021.

31. Paprotny I., Doering F., Solomon P.A., White R.M., Gundel L.A. Microfabricated air-microfluidic sensor for personal monitoring of airborne particulate matter: Design, fabrication, and experimental results. Sensors and Actuators A: Physical, 2013, vol. 201, pp. 506–516. DOI: 10.1016/j.sna.2012.12.026

32. Hao W.-С., Liu J.-L., Liu M.-H., He S.-T. Development of a new surface acoustic wave based PM 2.5 monitor. In: 2014 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications (SPAWDA), Proc. IEEE, 2014, pp. 52–55. DOI: 10.1109/SPAWDA.2014.6998524

33. Ciccarella P., Carminati M., Sampietro M., Ferrari G. 28.7 CMOS monolithic airborne-particulate-matter detector based on 32 capacitive sensors with a resolution of 65zF rms. 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), 2016, pp. 486–488. DOI: 10.1109/ISSCC.2016.7418119

34. Carminati M., Ferrari G., Sampietro M. Emerging miniaturized technologies for airborne particulate matter pervasive monitoring. Measurement, 2017, vol. 101, pp. 250–256. DOI: 10.1016/j.measurement.2015.12.028

35. Carminati M., Ciccarella P., Sampietro M., Ferrari G. Single-chip CMOS capacitive sensor for ubiquitous dust detection and granulometry with sub-micrometric resolution. In: Sensors: Proc. of the Third National Conference on Sensors, February 23-25, 2016, Rome, Italy. Ed. by B. Andò, F. Baldini, C. Di Natale, G. Marrazza, P. Siciliano. Springer International Publishing, 2016, pp. 8–18. DOI: 10.1007/978-3-319-55077-0_2

36. 36. Stolzenburg M.R. McMurry P.H. An ultrafine aerosol condensation nucleus counter. Aerosol Science and Technology, 1991, vol. 14, no.1, pp.48–65. DOI: 10.1080/02786829108959470

37. Kangasluoma J., Kuang C., Wimmer D., Rissanen M.P., Lehtipalo K., Ehn M., Worsnop D.R., Wang J., Kulmala M., Petäjä T. Sub-3 nm particle size and composition dependent response of a nano-CPC battery. Atmospheric Measurement Techniques, 2014, no. 7, pp. 689–700. DOI: 10.5194/amt-7-689-2014

38. Yoo Seong-Jae, Kwon Hong-Beom, Hong UiSeon, Kang Dong-Hyun, Lee Sang-Myun, Han Jangseop, Hwang Jungho, Kim Yong-Jun. Microelectromechanical-system-based condensation particle counter for real-time monitoring of airborne ultrafine particles. Atmospheric Measurement Techniques, 2019, vol. 12, no. 10, pp. 5335–5345. DOI: 10.5194/amt-12-5335-2019

39. Kwon Hong-Beom, Song Woo-Young, Lee Tae Hoon, Lee Seung-Soo, Kim Yong-Jun. Monitoring the effective density of airborne nanoparticles in real time using a microfluidic nanoparticle analysis chip. ACS Sensors, 2021, vol. 6, pp. 137−147. DOI: 10.1021/acssensors.0c01986

40. Voldman J. Electrical forces for microscale cell manipulation. Annual Review of Biomedical Engineering, 2006, no. 8, pp. 425–454. DOI: 10.1146/annurev.bioeng.8.061505.095739

41. Pesch G.R., Du F. A review of dielectrophoretic separation and classification of non-biological particles. Electrophoresis, 2020, vol. 42, no. 1–2, pp. 1–19. DOI: 10.1002/elps.202000137

42. Mukhurov M., Khodin A. Means and methods to control the air ambient dust in residential and public buildings. In: Scientific and Technical Progress in Housing and Communal services. III International Scientific and Practical Conference. Minsk, October 7–8, 2021. Proc. Chapter 2, pp. 151–159 (in Russian).


Рецензия

Для цитирования:


Мухуров Н.И., Ходин А.А., Kим Ё. Приборы и методы измерений запылённости окружающей воздушной среды. Краткий обзор. Приборы и методы измерений. 2022;13(1):7-16. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-1-7-16

For citation:


Mukhurov N.I., Khodin A.A., Kim Y. Devices and Methods for Measuring of the Ambient Air Dust. Short Review. Devices and Methods of Measurements. 2022;13(1):7-16. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-1-7-16

Просмотров: 593


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-9506 (Print)
ISSN 2414-0473 (Online)