Development of QCM sensors for measuring particulate matter concentration
QCM sensörlerinin partikül madde konsantrasyonunu ölçmek için geliştirilmesi
- Tez No: 876344
- Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Partikül maddesi (PM), havada asılı duran küçük katı parçacıklar ve sıvı damlacıklardan oluşmaktadır. Bu parçacıklar çeşitli boyutlarda ve bileşimlere sahip olup ve toz, kir, kurum, duman ve sıvı damlacıkları gibi farklı maddelerden oluşabilir. PM genellikle boyutuna göre sınıflandırılır: PM10, çapı 10 mikrometre ve daha küçük olan parçacıkları içerirken, PM2.5 çapı 2.5 mikrometre ve daha küçük olanları kapsar. Bu parçacıklar akciğerlerin derinliklerine nüfuz edebilir ve hatta kan dolaşımına girebilir ve ciddi sağlık riskleri oluşturabilirler ve özellikle önemlidi . PM1, çapı 1 µm veya daha küçük olan ultra ince parçacıktır (UFP). Bu, insan saçının kalınlığından yaklaşık 70-100 kat daha küçüktür. PM1 parçacıkları, vücudun doğal savunma mekanizmalarını PM2.5'ten çok daha kolay aşabilirler. Partikül maddeye maruz kalmak, partiküllerin solunum sisteminin derinliklerine nüfuz edebilme ve hatta kan dolaşımına girmesinden dolayı birçok önemli sağlık riskine yol açar. PM, solunum yollarını tahriş edebilir, astım, bronşit ve diğer kronik solunum yolu hastalıkları gibi durumlara yol açabilir. PM2.5 akciğerlerdeki alveollere ulaşarak iltihaplanmaya neden olabilir ve olası mevcut akciğer rahatsızlıklarını kötüleştirebilir. PM'ye uzun süre maruz kalmak, kalp krizleri, aritmiler ve hipertansiyon gibi kalp hastalıkları ile ilişkilendirilmiştir. Parçacıklar, sistemik iltihaplanma ve oksidatif strese neden olarak kardiyovasküler koşulların gelişimine ve ilerlemesine katkıda bulunur. Araştırmalar, PM maruziyeti ile erken ölüm arasında bir ilişki olduğunu göstermiştir. Mevcut sağlık koşulları olan kişiler, yaşlılar ve çocuklar PM'nin zararlı etkilerine karşı savunmasızdır. Bu sağlık risklerinin ciddiyeti, partikül maddenin yoğunluğu ve bileşimi, maruz kalma süresi ve bireysel duyarlılık gibi birkaç faktöre bağlıdır. PM emisyonlarının düzenleyici önlemler ve kişisel koruma stratejileri yoluyla azaltılması, bu sağlık risklerini hafifletmek için kritik öneme sahiptir. Partikül maddeler, hem doğal hem de insan kaynaklı çeşitli kaynaklardan ortaya çıkar. Temel PM kaynakları arasında araç emisyonları, endüstriyel tesisler, elektrik santralleri, evsel ısıtma veya biyokütle yakma gibi yanma süreçleri; inşaat faaliyetleri, inşaat sahalarından gelen toz, yıkım veya araçların toprak yollarda seyahat etmesiyle oluşan yol tozu; ve rüzgarla savrulan toz, volkanik patlamalar ve orman yangınları gibi doğal kaynaklar bulunur. Kamu bilinci, son yıllarda hava kalitesi ve partikül madde maruziyetinin zararlı etkileri konusunda önemli ölçüde artmıştır. Bu durum, iç mekan hava kalitesini izleme, çevresel izleme ve iş güvenliği değerlendirmeleri gibi çeşitli uygulamalar için güvenilir ve doğru PM sensörlerine olan talebi artırmıştır. Bu sensörlerin etkinliğini sağlamak için sağlam test ve değerlendirme prosedürleri hayati öneme sahiptir. Ancak, geleneksel PM test kurulumları, doğası gereği sahip olduğu birçok sınırlama nedeniyle önemli engeller yaratmaktalar. Geleneksel PM test kurulumların çalışma şekli genellikle Taramalı Hareketlilik Parçacık Boyutlandırıcıları (SMPS) ve Aerosol Kütle Spektrometreleri (AMS) gibi büyük, karmaşık ekipmanlara dayanır. Bu cihazlar olağanüstü doğruluk ve ayrıntılı PM karakterizasyonu sunarken, yüksek maliyetleri, operasyonel karmaşıklıkları ve önemli bakım gereksinimleri nedeniyle birçok kullanıcı için erişilemez hale gelmişler. Bu sınırlı erişim, gerçek zamanlı izleme veya kaynak kısıtlı ortamlarda konuşlandırma gerektiren uygulamalar için PM sensör teknolojisinin yaygın dağıtımını ve benimsenmesini engeller. Bu tezde, geleneksel PM test kurulumlarıyla ilişkili zorlukları gidermek için yenilikçi bir yaklaşım önerilir. Özellikle PM sensör testleri için tasarlanmış az maliyetli bir deneysel kurulum sunmaktadır. Bu kompakt tasarım, kolay temin edilebilen ve ticari olarak bulunabilen bileşenlerden yararlanarak uygun fiyatlılık ve kullanım kolaylığına öncelik verir. Kurulumun içerisinde, kuru toz, sıvı süspansiyon ve yanma dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan PM üretebilen özel yapım bir PM jeneratörü yer almaktadır. PM jeneratörünün bu çok yönlülüğü, çeşitli çevrelerde karşılaşılan gerçek dünya senaryolarını simüle ederek sensör performansının kapsamlı bir değerlendirmesine olanak tanır. Bu çalışmanın önemli bir yeniliği, test kurulumunda Kuvars Kristal Mikrobalans (QCM) ve lazer sensörlerin birlikte kullanılmasıdır. Lazer sensörler, ışık saçılımı prensiplerine dayanarak parçacık boyutunu ve sayı yoğunluğunu ölçme yetenekleri nedeniyle daha büyük PM'yi iyi bir şekilde tespit ederler. Ancak hassasiyetleri, duman gibi ultra ince PM için önemli ölcüde azalmaktadır. Bu kurulum, bir QCM sensörünün dahil edilmesiyle ultra ince parçacıkları etkin bir şekilde tespit etme yeteneği kazanır. Bu birleşik yaklaşım, PM konsantrasyonun olçmesine dair daha geniş bir boyut spektrumunda eksiksiz bir tablo sunar ve hava kalitesi hakkında değerli bilgiler sağlar. Bir sonraki bölümde, PM jeneratörünün tasarımında dikkate alınan kriterler ve seçilen QCM yeönteminin detayları incelenmektedir. Ardından, QCM sensörünün performansı çeşitli PM kaynakları ve ortam koşulları altında incelenip ve bulgular sunulacaktır. Bu tezde, deneylerde istikrarlı bir PM konsantrasyonu elde etmek için, otomatik çalışan bir aerosol jeneratörü geliştirilmiştir. Bu jeneratör, üç farklı PM üretim yönteminden yararlanmaktadır. İlk yöntemde, aerosol, PM içeren su suspansiyonundan üretilir. İlk olarak kuru kimyasal tozlar suyla karıştırılır ve karışım bir nebülizatör vasıtasıyla buharlaştırılır. Bu aerosol, silika jel taneleriyle dolu bir silindir ve delikli borulardan oluşan özel yapım bir PM kurutucudan geçer. Karışım bu borulardan geçerken difüzyon yoluyla nemden arındırılır. İkinci yöntemde, kimyasal tozlardan kuru aerosol elde edilir. Kimiyasal toz, basınçlı hava kullanılarak bir silindir içinde dağıtılır. Sonra, üretilen aerosoller bir piston vasıtasıyla dışarı itilir. Üçüncü yöntemde, aerosoller duman üretimi ile elde ediler. Partiküller, bir tütsü çubuğu yakılarak üretilir ve bir haznede toplanır. Bu karışım, bir hava pompası ile hazneden dışarı çıkar. Tüm pompalar ve pistonun hareketi, bir mikrodenetleyici tarafından ve bilgisayar üzerinden kontrol edilir. QCM, PM ölçümleri için yüksek potansiyele sahip olan bir teknolojidir ve diğer mevcut ölçüm teknikleri tamamlayan benzersiz bir yaklaşım sunmaktadır. QCM teknolojisi, kendine özgü yetenekleri nedeniyle PM tespiti için umut vaat etmektedir. Bir QCM, piezoelektrik özellikleri tanınan AT-kesim kuvars kristalinden oluşmaktadır. Bu özellikler, kristalin mekanik stresi ölçülebilir bir elektrik sinyaline dönüştürmesini sağlar ve tersine, bir elektrik voltajı, kristalin belirli bir frekansta titreşmesine neden olur. Bu karakteristik frekans, kristalin boyutu, şekli ve en önemlisi, kütlesi tarafından belirlenen benzersiz bir kimlik görevi görür. QCM ve hava akışını sağlayan pompanın sürekli çalıştırılmasından, gerçek zamanlı rezonans frekansı elde edilir, ancak bu frekanstaki değişim hızını doğrudan göstermez. Bu problemi aşmak ve ölçüm sürecini basitleştirmek için, pompa aralıklı olarak çalıştırılır. Pompanın durduğu her seferde, QCM'nin rezonans frekansı kaydedilir ve önceki duraklamada ölçülen frekansla karşılaştırılır. Partiküllerin yapışma verimini arttırmak için, QCM yüzeyine bir katman gres kaplama uygulanmıştır. Bu uygulama, sensör verimini özellikle kuru parçacıklarda olumlu olarak etkilemiştir. Bu kaplama, parçacık yapışmasını önemli ölçüde artırarak daha tutarlı sonuçlar elde etmeyi sağlamıştır. Ayrıca, partikül özelliklerindeki farklılıklar nedeniyle sensör tepkisindeki varyasyonları azaltarak, QCM için daha geniş bir PM türü yelpazesi boyunca tutarlı bir performans sağlar. Sonuçlar, PM'nin bileşimi, boyutu, bağıl nem (RH) ve sıcaklık gibi faktörlerin sensör tepkisini etkilediğini. Bağıl nem, sensör yanıtını %22'ye kadar değiştirebilir. Hava akışındaki sıcaklık değişiklikleri, kaplamasız QCM yanıtını etkilemezken, sıcaklığın 25°C'den 30°C'ye çıkarılması, gres kaplı sensör için yanıtın %12 oranında değişmesine neden olur. QCM sensörü küçük boyutlu duman PM'lerinde, çevre koşullarından en az etkilenerek, en iyi performansı sağlamaktadır. Son olarak bu çalışma, QCM ve lazer sensörlerinin PM algılamada birbirini tamamlayan bir yapıya sahip olduklarini ve bu şekilde daha uygun maliyetli olmanın yanısıra, daha kararlı sonuçlar veren bir PM gözleme sistemi sağladıklarını göstermektedir. Bu çalışma, mevcut olan konvansiyonel PM test kurulumlarına, daha uygun fiyatlı ve kullanışlı bir alternatif sunarak, hava kalitesini gözleme sistemlerinin geliştirilmesini hızlandırma potansiyeline sahiptir.
Özet (Çeviri)
Particulate matter (PM) refers to a mixture of tiny solid particles and liquid droplets suspended in the air. These particles come in various sizes and compositions, and they can be made up of different substances including dust, dirt, soot, smoke, and liquid droplets. PM is typically categorized by size: PM10 includes particles with diameters that are 10 micrometers and smaller, while PM2.5 encompasses those with diameters that are 2.5 micrometers and smaller. These fine particles are of particular concern because they can penetrate deep into the lungs and even enter the bloodstream, posing significant health risks. PM1 is ultrafine particle (UFP), with a diameter of 1 µm or less. This is roughly 70-100 times smaller than the width of a human hair. PM1 particles can bypass the body's natural defenses much easier than PM2.5. Exposure to PM poses several significant health risks, primarily due to its ability to penetrate deep into the respiratory system and even enter the bloodstream. PM can irritate the respiratory tract, leading to conditions such as asthma, bronchitis, and other chronic respiratory diseases. Fine particles (PM2.5) can reach the alveoli in the lungs, causing inflammation and aggravating existing lung conditions. Long-term exposure to PM is linked to heart diseases, including heart attacks, arrhythmias, and hypertension. The particles can cause systemic inflammation and oxidative stress, which contribute to the development and progression of cardiovascular conditions. Studies have shown a correlation between PM exposure and premature mortality. People with pre-existing health conditions, the elderly, and children are particularly vulnerable to the harmful effects of PM. The severity of these health risks depends on several factors, including the concentration and composition of the particulate matter, the duration of exposure, and individual susceptibility. Reducing PM emissions through regulatory measures and personal protection strategies is crucial for mitigating these health risks. PM originates from a variety of sources, both natural and human-made. Key sources include combustion processes like emissions from vehicles, industrial facilities, power plants, residential heating or burning of biomass; construction activities such as dust from construction sites, demolition or road dust from vehicles traveling on unpaved roads; and natural sources like windblown dust, volcanic eruptions, and wildfires. Public awareness regarding air quality and the detrimental effects of particulate matter exposure has significantly increased in recent years. This has led to a surge in demand for reliable and accurate PM sensors for various applications, including indoor air quality monitoring, environmental monitoring, and occupational safety assessments. To ensure the effectiveness of these sensors, robust testing and evaluation procedures are crucial. However, conventional PM test setups often pose significant barriers due to their inherent limitations. Traditional PM test setups typically rely on large, complex equipment such as Scanning Mobility Particle Sizers (SMPS) and Aerosol Mass Spectrometers (AMS). While these instruments offer exceptional accuracy and detailed PM characterization, their high cost, operational complexity, and significant maintenance requirements make them inaccessible for many potential users. This limited accessibility hinders the widespread deployment and adoption of PM sensor technology, particularly for applications requiring real-time monitoring or deployment in resource-constrained settings. This thesis proposes a novel approach to address the challenges associated with conventional PM test setups. We introduce a cost-effective experimental setup specifically designed for PM sensor testing. This compact design prioritizes affordability and ease of use by leveraging readily available and commercially obtainable components. The core of the setup lies in a custom-made PM generator capable of producing PM from diverse sources, including dry powder, liquid suspension, and combustion. This versatility allows for a comprehensive evaluation of sensor performance under a wide range of PM types, simulating real-world scenarios encountered in various environments. A key innovation of this study lies in the combined use of Quartz Crystal Microbalance (QCM) and laser sensors within the test setup. Laser sensors are well-established for detecting larger PM due to their ability to measure particle size and number concentration based on light scattering principles. However, their sensitivity diminishes for ultra-fine PM, particularly those resembling smoke particles. By incorporating a QCM sensor, the setup gains the ability to effectively detect these smaller particles through mass accumulation on the sensor surface. This combined approach provides a more complete picture of PM concentration across a broader size spectrum, offering valuable insights into air quality. The subsequent sections of this thesis will delve into the details of the proposed experimental setup, including the design considerations for the PM generator and the selection criteria for the chosen sensor technologies. We will then present the findings from a comprehensive investigation into the performance of the QCM sensor under various PM sources and ambient conditions. In this thesis, an automatic aerosol generation setup was developed to maintain a stable PM concentration during experiments. This setup incorporates three different techniques for generating PM to investigate their effects on sensor response. In first technique the aerosol is generated from PM suspended in water. Dry chemical powders are initially mixed with water, and the mixture is then evaporated using a nebulizer. This aerosol passes through a custom-made PM dryer, which consists of a network of pipes running through a cylinder filled with silica gel grains. Moisture is removed from the mixture through diffusion as it travels through these pipes. The dried aerosols are then expelled from the PM chamber by an air pump. The second method is considered for creating dry aerosol from chemical powders. The powder is dispersed in a cylinder using pressurized air. Inside the cylinder, two small fans keep the particles suspended, creating a homogeneous mixture. The aerosol is then pushed out by a piston, which is controlled by a stepper motor and threaded bar. The third technique is used for smoke aerosol generation. Particles are produced by burning an incense stick and are collected in a smoke chamber. Similar to the method, the PM mixture exits the chamber via an air pump. All pumps and the stepper motor are controlled by a microcontroller connected to a computer. QCM is a compelling technology with potential applications in PM measurement, offering a unique approach that complements other established techniques. QCM technology holds promise for PM detection due to its distinct capabilities. Central to a QCM is a precisely crafted AT-cut quartz crystal, celebrated for its exceptional piezoelectric properties. These properties enable the crystal to convert mechanical stress into a measurable electrical signal, and conversely, an electrical voltage can cause the crystal to vibrate at a specific frequency. This characteristic frequency serves as a unique identifier, determined by the crystal's size, shape, and, most importantly, its mass. Continuously operating the QCM and implemented pump provides real-time resonance frequency data but does not directly indicate the rate of change in this frequency. To overcome this limitation and streamline the measurement process, this study introduces a novel method using pulsed pump operation. The pump delivers air intermittently, with brief idle periods in between. Each time the pump stops, the QCM's resonance frequency is recorded and compared to the frequency measured at the previous stop. To increase the sticking efficiency of particles, the surface of the QCM has been coated with a layer of grease. Applying this coating proved to be an effective strategy for enhancing sensor response, particularly for dry particles. The coating significantly improved particle adhesion, resulting in a stronger overall response. Furthermore, it reduced variations in sensor response due to differences in particle characteristics, ensuring more consistent performance across a wider range of PM types. The results will highlight the influence of factors such as PM composition, size, relative humidity (RH), and temperature on the sensor response. Finally, the study will discuss the complementary nature of QCM and laser sensors in PM detection, paving the way for the development of more robust and cost-effective PM monitoring systems. By offering a cost-effective and user-friendly alternative to existing test setups, this study has the potential to democratize PM sensor testing and accelerate the development of advanced air quality monitoring solutions. Variations in PM composition and size have a significant effect on the QCM response. Additionally, relative humidity (RH) can alter the sensor response by up to 22%. Although temperature changes in the airflow have minimal impact on the bare QCM response, increasing the temperature from 25°C to 30°C results in a 12% change in response for the grease-coated sensor. Notably, the QCM sensor performs best with small-sized smoke PMs, showing the least sensitivity to ambient conditions. Finally, the study will discuss the complementary nature of QCM and laser sensors in PM detection, paving the way for the development of more robust and cost-effective PM monitoring systems. By offering a cost-effective and user-friendly alternative to existing test setups, this study has the potential to democratize PM sensor testing and accelerate the development of advanced air quality monitoring solutions.
Benzer Tezler
- Kaliksaren kaplı QCM sensörler kullanılarak biyojenik aminlerin algılanması
Detection of biogenic amines using calixarene coated QCM sensors
KAAN KARAKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA TABAKCI
- Metal organik kafes yapılarının kuvars kristal mikrobalans sensör üzerinde uygulamaları
Metal organic cage structures applications on quartz crystal microbalance sensor
ÇAĞLA PİLAVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TİMUR CANEL
- Petrol kaynaklı hidrokarbonlardan BTEX komplex gaz karışımlarının sınıflandırılması için QCM gaz sensör dizisi geliştirilmesi
Development of a QCM gas sensor array system for the classification of complex gas mixtures of petroleum hydrocarbon BTEX compounds
ZAFER ŞEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
DR. MİKA HARBECK
PROF. DR. ZAFER ZİYA ÖZTÜRK
- Kimyasal savaş ajanlarının tespitine yönelik paraokson temelli sensörler geliştirilmesi
Development of paraoxon based sensors for determination of chemical warfare agents
OZAN YAĞMUROĞLU
- Zearalenon tespiti için çeşitli nanokompozit temelli moleküler baskılı sensörlerin geliştirilmesi ve pirinç numunelerine uygulanması
Development of various nanocomposite-based molecular printed sensors for zearalenone detection and application to rice samples
NESRİN ÇAPAR REHMAN
Doktora
Türkçe
2024
Beslenme ve DiyetetikHasan Kalyoncu ÜniversitesiBeslenme ve Diyetetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET LÜTFİ YOLA