Ilmakehan hiukkasmaisten ioniyhdisteiden online-mittaus

Ilmakehän hiukkaset aiheuttavat merkittäviä ympäristö- ja terveyshaittoja, joihin vaikuttaa hiukkasten kemiallinen koostumus. Hiukkasten kemiallisesta koostumuksesta voidaan hankkia tietoa hiukkasmittauksilla. Työn tavoitteena oli rakentaa jatkuvatoiminen mittausjärjestelmä, jolla voidaan mitata ilmakehän aerosolihiukkasten ionipitoisuuksia. Mittausjärjestelmä koostuu virtuaali-impaktorista, denuderputkista, PILS-laitteesta ja ionikromatografista. Näyteilmavirtaus kulkee ensin esierottimena toimivan virtuaali-impaktorm lävitse, joka poistaa aerodynaamiselta halkaisijaltaan 1,3 um:a suuremmat hiukkaset ilmavirtauksesta. Näyte, joka sisältää 1,3 um:a pienemmät hiukkaset kulkee virtuaali-impaktorin jälkeen kahden 1 % KOH-liuoksella käsitellyn denuderputken lävitse, joilla poistetaan hiukkasmääritystä häiritsevät happamat kaasut näytevirtauksesta. Denuderputkien jälkeen ilmavirtaus saapuu PILS-laitteeseen, jossa hiukkaset kasvatetaan vesihöyryn avulla aerosolipisaroiksi, törmäytetään keräyslevyyn ja sekoitetaan sen jälkeen sisäistä standardiainetta (NaBr) sisältavään kuljetusliuokseen. Kuljetusliuoksen ja aerosolipisaroiden seoksesta koostuva näyteliuos johdetaan PILS-laitteesta ionikromatografille analysoitavaksi. Mittausjärjestelmään liitetyllä ionikromatografilla voidaan analysoida neljä näytetta tunnissa. Näytteistä määritettävät anionit olivat sulfaatti, nitraatti ja kloridi. PILS-mittausjärjestelmää testattiin keräämällä hiukkasnäytteitä samanaikaisesti PILS-laitteella sekä virtuaali-impaktorilla tai suodatinkeräimellä ja vertaamalla saatuja aerosolihiukkasten sulfaattipitoisuuksia keskenään. Testeissa kerättiin joko VOAG-laitteella tuotettuja ammoniumsulfaattihiukkasia tai laboratorion huoneilmaa. PILS-mittausjärjestelmällä mitatut sulfaattipitoisuudet olivat 2-20 % pienempia kuin suodatinkeraimella mitatut, kun kerättiin keinotekoisesti tuotettuja ammoniumsulfaattihiukkasia. Huoneilmaa kerättäessä PILS-mittausjärjestelmällä saadut pitoisuudet olivat noin 10 % pienempiä kuin suodatinkeräystulokset. Koetulokset osoittivat, että mittausjärjestelmällä saadaan analysoiduksi luotettavasti hiukkasten sulfaattipitoisuudet.

Ympäristö- ja yhdyskuntavesien monitorointi Saimaan vesistöalueella

Diplomityössä tutkittiin kromatografian, elektroforeesin ja spektrometrian käyttöä ympäristövesianalytiikassa. Kokeellisessa osassa analysoitiin Saimaan Vesi- ja Ympäristötutkimus Oy:n keräämistä kaatopaikka-, jätevesi-, pohjavesi-, vesistö-, uimahalli-, yksityiskaivo-, poreallas- ja suovesinäytteistä epäorgaaniset anionit (F-, Cl-, Br-, NO3-, NO2- SO42-ja PO42-) sekä ionikromatografilla että kapillaarielektroforeesilla. Näytteet on kerätty Saimaan alueen ympäristökunnista. Kapillaarielektroforeesilla analysoitiin lisäksi tiosulfaatti. Liekkiatomiabsorptio-spektrometrilla analysoitiin Cu, Fe, Na ja Al. Natriumia löytyi jokaisesta vesinäytteestä. Pohjavesistä ei löytynyt rautaa eikä alumiinia ja kuparipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Vesistövesistä kahdessa näytteessä oli alle määritysrajan olevia rautapitoisuuksia. Muissa näytteissä ei rautaa ollut. Suovesistä kuparia löytyi hyvin pieniä määriä ja yhdestä näytteestä alumiinia alle määritysrajan. Kaatopaikkavesissä kuparipitoisuudet sekä kolmessa näytteessä alumiinipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Jätevesistä oletettiin löytyvän suuria määriä typpispesieksiä ja fosforia. Niitä kuitenkin esiintyi isoissa pitoisuuksissa vain suovesinäytteissä. Jätevesinäytteet sisälsivät bromidia, nitraattia ja fluoridia jopa yli 140 mg/l. Kapillaarielektroforeesilla ja ionikromatografilla mitatut anionipitoisuudet korreloivat hyvin toisiaan. Kontaminoituja vesiä löytyi pohja-, kaatopaikka-, jäte- ja vesistövesistä sekä uima-altaan terapiaaltaan vedestä.

Ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poisto adsorption avulla

Kiinnostus ravinneionien ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poistoon liittyy niiden ne-gatiivisiin ympäristövaikutuksiin ja niiden poistoon jätevesistä on olemassa erilaisia tekniikoita. Tässä työssä ionien poistoa tutkittiin adsorptiotekniikan avulla. Siinä perus-ajatuksena on ionin kiinnittyminen adsorbentin pintaan, jolloin sen poistaminen käsitel-tävästä vedestä on mahdollista. Tässä diplomityössä tutkittiin eri adsorbentteja ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poistoon, ja päämääränä oli niiden yhtäaikainen poistaminen. Kokeita tehtiin niin laboratoriossa valmistetuille ravinneliuoksille kuin Yara Suomi Oy:n Siilinjärven (Yara) toimipaikalta toimitetuille vesille. Yaran vesien osalta pääpaino oli ammoniumin poistossa. Tutkimuksen haasteina olivat ionien erilaiset varaukset, jolloin esimerkiksi positiivisesti varautunut ammoniumioni kiinnittyi negatiivisesti varautuneen adsorbentin pintaan hel-poiten. Toisaalta negatiivisesti varautuneet anionit fosfaatti ja nitraatti suosivat positiivi-sesti varautuneita adsorbentteja. Myös muiden ionin läsnäolo joko edisti tai esti adsorboitumista ja joissain tapauksissa pH:lla oli suuri merkitys prosessin onnistumiseen. Saatuja tuloksia tarkasteltiin tutkittujen ionien poistoprosenttien ja isotermimallinnuksien kautta unohtamatta muita esille tulleita seikkoja. Saatujen tulosten mukaan etenkin kalsinoitu hydrotalsiitti poisti fosfaattia ja nitraattia, mutta se ei mainittavasti toiminut ammoniumille. Ammoniumille sen sijaan toimi par-haiten zeoliitit ja bentoniitti, jotka vähensivät myös Yaran vesien ammoniumpitoisuutta. Ionien yhtäaikainen poistaminen oli haastavaa ja sen parempi ymmärtäminen edellyttää jatkotutkimuksia. Yksi jatkotutkimuskohde voisi olla eri adsorbenttien yhdistäminen keskenään, ja tästä saatiin jo alustavia, rohkaisevia tuloksia.