UV-VIS 분광기로 현장에서 산성 농도의 에어로졸 측정 및 주변 공기와 응용

소개

대기의 응축상은 대기 에어로졸이라고 불리는 부유 액체 또는 고체 입자로 구성되며, 이는 상당히 작은 크기(보통 10μm 미만)로 인해 구름 방울과 구별됩니다. 대기 에어로졸의 pH는 입자의 광학적 특성과 수분 흡수 능력을 변화시킬 수 있습니다. 이 pH는 또한 특정 화학 반응을 촉진하여 2차 에어로졸(휘발성이 낮은 물질에서 추가로 응축된 상 덩어리)이 형성될 수 있습니다. 또한 pH는 금속을 용해시킬 수도 있으며, 이러한 금속은 영양이 부족한 생태계에서 중요한 영양소 역할을 하거나 흡입 시 산화 스트레스를 유발할 수 있습니다.

에어로졸의 산성도는 기후와 건강에 중요하지만 에어로졸의 크기와 복잡성(99%가 1μm 미만)으로 인해 pH에 대한 기본적인 이해가 어려워졌습니다. 단일 대기 입자 내에는 다양한 수분 함량, 높은 이온 강도 및 다양한 상(액체, 반고체 및 고체)으로 구성된 수백에서 수천 개의 서로 다른 화학종이 있을 수 있습니다. 에어로졸 분석을 더욱 어렵게 만드는 에어로졸 입자는 대기 가스뿐만 아니라 응축상 자체 내에서도 복잡한 화학 반응을 지속적으로 겪습니다. 이러한 문제로 인해 전통적인 pH 측정은 실현 불가능이며, 수년 동안 간접 방법과 대리 방법이 에어로졸 다양한 결과로 pH를 추정하는 가장 일반적인 방법입습니다. 그러나 대기에서 어떤 화학 반응이 지배적인지 정확하게 결정하려면 에어로졸 pH를 기후 모델에 통합해야 합니다. 그로 인해 대기와 관련된 입자의 pH를 탐지하는 현장 측정이 절실히 필요합니다.

산 짝염기, 고분자 분해법 등의 연구 방법은 최근 에어로졸 산성도 현장 측정의 진전입니다. 크기가 수백 나노미터에 이르는 입자의 중간 pH를 합성하는 더 간단하고 저렴한 접근 방식은 UV-Visible (C-RUV)입니다.

방법

에어로졸 필터 샘플을 사용하여 에어로졸 산성도(H+ 몰농도, mol/L)를 측정하기 위해 UV-Visible 분광기를 통한 반사 방법과 결합된 비색 판별법을 사용합니다. 이 방법에는 메타닐 옐로우(MY)로 염색된 테플론 코팅 유리섬유 필터에서 NH4+-H+-SO42-H2O를 포함하는 무기 에어로졸을 지표로 채취하였다. 따라서 에어로졸 내의 양성자 농도는 필터에 있는 표시기의 색상 변화로 측정될 수 있습니다. C-RUV 방법은 민감도가 높기 때문에 샘플링 상당한 시간을 줄일 수 있습니다. C-RUV 역시 용매 추출이 필요 없고 컬럼 분리가 필요 없는 광학적 방법을 사용하기 때문에 분석 시간이 있습니다. 그런 다음 C-RUV 기술을 사용하여 400~800 nm의 VIS 파장 범위에 걸쳐 필터 샘플의 흡수 스펙트럼을 측정했습니다.

스펙트럼의 최대값이 양성자화되지 않은 MY 경우에는 420nm에서 나타내고 양성자화된 MY(MYH+) 경우에는  545 nm에서 나타납니다(그림 1). Beer-Lambert 법칙에 따라 필터의 MY 농도는 UV 흡광도와 선형적으로 관련됩니다. 따라서 MYH+ 의 UV 흡광도(A * 545 nm)와 에어로졸의 산과 상호 작용하는 MY의 흡광도(A * 420 nm)를 사용하여 에어로졸 시스템에서 MY의 이온화 비율을 추정할 수 있습니다.

그림 1: MY 염색 필터에 수집된 산성 에어로졸의 흡광도 스펙트럼.

일반적으로 IC에서 얻은 에어로졸 이온 농도는 화학열역학 모델과 통합되어 에어로졸의 양성자 농도를 예측하므로 비이상성을 고려할 수 있습니다. 에어러솔의 수분 함량과 양성자 농도를 예측하는 데 사용되는 여러 가지 화학열역학 모델이 있습니다(예: SCAPE2(Meng와 파트너 1995), ISORROPIA(Nenes와 파트너 1998), E-AIM(Clegg와 파트너 1998)). C-RUV 방법에 대한 양성자 농도의 기준값을 제공하기 위해 E-AIM 모델 II가 양성자 농도를 가장 정확하게 예측하는 것으로 나타났기 때문에 에어로졸 시스템에 사용되었습니다. E-AIM Model II 방법으로 예측한 양성자 농도를 다른 [H2SO4]/([NH3]+[H2SO4])(FSA)의 농도비로 그림 2에 표시된 C-RUV 방법으로 계산한 양성자 농도와 비교합니다. E-AIM 모델 II 예측과 C-RUV 방법 간에는 좋은 선형 적합도(R2 = 0.95)가 관찰되었습니다.

그림 2: E-AIM 모델 II에 의해 예측된 H+ 농도와 C-RUV 기술을 사용하여 측정된 H+ 농도의 상관관계.

응용

에어로졸 현장 산도 측정은 연구 및 실제 적용을 촉진하도록 정보와 데이터를 제공하는 다양한 분야에서 중요한 기술입니다. 다음은 몇 가지 주목할만한 응용입니다.

• 환경 과학: 대기 질 모니터링에서 현장 산도 측정은 대기 오염 및 산성비에 영향을 미치는 산성 에어로졸의 존재를 모니터링하는 데 도움이 됩니다. 동시에 에어로졸의 산성도를 이해하면 에어로졸이 대기 화학 및 기후에 미치는 영향을 모델링하는 데 도움이 됩니다. 이는 기후 변화 연구에서 기후 변화 문제를 해결하기 위한 정책과 조치에 영향을 미칩니다.
• 건강 및 의학: 호흡기 및 심혈관 건강에 해로울 수 있는 입자상 물질(PM)의 산성도에 대한 데이터를 제공하여 대기 오염이 건강에 미치는 영향을 평가하는 데 도움이 됩니다.
• 농업: 산성 에어로졸은 토양 pH와 식물 건강에 영향을 미칠 수 있습니다. 현장 산도 측정을 통해 농부들은 산성 퇴적로부터 작물을 보호하기 위한 행동을 취하여 더 나은 수확량과 토양 건강을 보장할 수 있습니다.
• 대기 화학: 현장 산성도 측정 데이터는 오염물질의 분포와 변환을 예측하는 데 사용되는 대기 내의 화학 수송 모델의 정확성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 또한 에어로졸의 산성도를 연구하면 대기 입자의 화학 반응속도을 이해하는 데 도움이 되므로 2차 유기 에어로졸 형성과 같은 과정에 대한 통찰력을 알아줍니다.
• 산업 응용: 산업에서는 현장 산성도 측정을 사용하여 산성 배출을 모니터링 및 제어하여 환경 규정을 준수하고 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.
• 재료 과학: 에어로졸의 산성도를 측정하면 재료의 부식 속도를 연구하는 데 도움이 되어 더 방청에 강한 재료를 개발할 수 있습니다. 산성 에어로졸이 다양한 표면과 어떻게 상호 작용하는지 이해하면 다양한 응용 분야에 더 나은 코팅 및 재료를 설계할 수 있습니다.

그림 3: 에어로졸이 대기, 육상 및 해양 생태계, 인간 건강에 미치는 영향.

시스템 구축

INTINS는 이 응용에 대한 완전한 시스템을 제공할 수 있습니다. Ocean SR4 UV-VIS 분광기는 다양한 응용 분야를 위한 고속 스펙트럼 획득 및 탁월한 신호 대 잡음비 성능을 갖춘 고성능 분광기입니다. 이 소형 장비는 190~1100 nm의 UV-VIS 특정 데이터 획득하고 5 µm~200 µm 너비의 입구 슬릿 옵션을 제공합니다. SR4 분광가는 소형이고 다용도이며 Ocean Insight 광원 및 부품과 호환됩니다.

반사용 광원을 선택할 때 가장 중요한 것은 관심 파장 범위에 강한 출력 광원을 찾는 것입니다. 이 응용 분야에서는 광원을 400nm - 800nm의 가시광선 스펙트럼에서 관찰해야 합니다. 당사 제품인 텅스텐 할로겐 광원은 이러한 표준을 충족하는 데 적합합니다. Ocean Insight의 HL-2000 프러덕 라인은 380nm - 2400nm의 파장을 가진 모델을 제공하며 사용 요구 사항을 충족하기 위해 고전력 모델(HL-2000-HP 광원)부터 긴 수명 모델(HL-2000-FHSA-LL 광원 및 HL -2000-LL광원)까지 다양합니다.

분기형 광섬유 케이블은 공통 끝에 두 개의 광섬유가 들어가고 다른 쪽 끝에는 두 개의 다리로 나뉩니다. 각 레그에 사용되는 광섬유 유형(즉, 가장 효율적인 전송 범위)은 응용 요구 사항에 따라 동일하거나 다를 수 있습니다. 이 분기형 광섬유 케이블은  300-1100nm에서 효율적으로 투과하는 높은 OH 섬유입니다. 분기형 섬유는 케이블은 단일 소스에서 두 개의 서로 다른 위치로 동일한 양의 빛을 라우팅하거나 단일 샘플에서 서로 다른 파장 범위에 대해 구성된 두 개의 분광기로 라우팅하는 데 적합합니다.