The characteristics for the aerosol number distribution was studied during spring, 2004 in Incheon. Optical Particle Counter (OPC, HIAC/ROYCO 5230) was used in order to measure the number concentration of aerosol in the range of $0.3\~25{\mu}m.$. The obtained results were compared with $PM_{2.5}\;and\;PM_{10}$ data during Asian dust events. The results show that the size resolved aerosol number concentration from OPC measurement has a similar tendency with $PM_{10}\;and\;PM_{2.5}$ mass concentration. During Asian dust periods, the number concentrations in large particle $(CH5\~CH8)$ increase more than small particles which diameter is less than $2.23{\mu}m(CH5)$ and the same results were shown when $PM_{10}$ was compared with $PM_{2.5}$ data compared with non-dust days, Consequently, this study shows that size resolved aerosol number concentration from OPC measurement can be used as a useful tool in comparison of mass concentration data.
In order to satisfy stringent future emission regulation in diesel engines, systematic approaches to mitigate the harmful exhaust emissions were developed, such as engine hardware, fuel injection equipment, engine control, and after-treatment system. In this study, to improve the nano-particle and NOx emissions from a state-of-the-arts diesel engine, effect of various EGR and fuel injection pressure with combustion analysis were evaluated. Size-resolved nano-particle and NOx emissions showed trade-off characteristics with various EGR rate and increment of fuel injection pressure.
Recently particulate matter(PM) emission regulations are becoming more strict for diesel engines. There is increasing interest for measuring not only concentration but also size of the particles. Laser-induced incandescence (LII) has emerged as a promising technique for measuring particle volume fraction and size. In this study, the Simple Time Resolved-LII method was applied to exhaust of Ethylene diffusion flame and diesel engine exhaust for measuring soot and PM size. The particle size data from LII technique were calibrated using Field Emission Scanning Electron Microscope(FE-SEM) and Transmission Electron Microscope(TEM) photographs. In diesel engine experiments for particle size measurement, results from LII measurement are in a good agreement with those from TEM photograph, and difference between two measurements was less than 16%.
Although it is well known that rain plays an important role in capturing air pollutants, its quantitative evaluation has not been done enough. In this study, the effect of raindrop size on pollutant scavenging was investigated by clarifying the chemical nature of individual size-resolved raindrops and their residual particles. Raindrops as a function of their size were collected using the raindrop collector devised by our oneself in previous study (Ma et al., 2000) during high atmospheric loading for $PM_{2.5}$. Elemental analyses of solid residues and individual residual particles in raindrops were subsequently analyzed by Particle Induced X-ray Emission (PIXE) and Scanning Electron Microscopy (SEM) with Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX), respectively. The raindrop number concentration ($m^{-2}h^{-1}$) tended to drastically decrease as the drop size goes up. Particle scavenging rate, $R_{sca.}$ (%), based on the actual measurement values were 38.7, 69.5, and 80.8% for the particles with 0.3-0.5, 0.5-1.0, and $1.0-2.0{\mu}m$ diameter, respectively. S, Ca, Si, and Al ranked relatively high concentration in raindrops, especially small ones. Most of the element showed a continuous decrease in concentration with increasing raindrop diameter. The source profile by factor analysis for the components of residual particles indicated that the rainfall plays a valuable role in scavenging natural as well as artificial particles from the dirty atmosphere.
This thesis describes the use of measured aerosol size distributions and size-resolved hygroscopic growth to examine the physical and chemical properties of several particle classes. The primary objective of this work was to investigate the optical and cloud forming properties of a range of ambient aerosol types measured in a number of different locations. The tool used for most of these analyses is a differential mobility analyzer / tandem differential mobility analyzer (DMA / TDMA) system developed in our research group. To collect the data described in two of the chapters of this thesis, an aircraft-based version of the DMA / TDMA was deployed to Japan and California. The data described in two other chapters were conveniently collected during a period when the aerosol of interest came to us. The unique aspect of this analysis is the use of these data to isolate the size distributions of distinct aerosol types in order to quantify their optical and cloud forming properties. I used collected data during the Asian Aerosol Characterization Experiment (ACE-Asia) to examine the composition and homogeneity of a complex aerosol generated in the deserts and urban regions of China and other Asian countries. An aircraft-based tandem differential mobility analyzer was used for the first time during this campaign to examine the size-resolved hygroscopic properties of particles having diameters between 40 and 586 nm. Asian Dust Above Monterey (ADAM-2003) study was designed both to evaluate the degree to which models can predict the long-range transport of Asian dust, and to examine the physical and optical properties of that aged dust upon reaching the California coast. Aerosol size distributions and hygroscopic growth are measured in College Station, TX to investigate the cloud nucleating and optical properties of a biomass burning aerosol generated from fires on the Yucatan Peninsula. Measured aerosol size distributions and size-resolved hygroscopicity and volatility were used to infer critical supersaturation distributions of the distinct particle types that were observed during this period. The predicted CCN concentrations were used in a cloud model to determine the impact of the different aerosol types on the expected cloud droplet concentration. RH-dependent aerosol extinction coefficients are calculated at a wavelength of 550 nm.
Twelve-hour size-resolved atmospheric aerosols were measured to determine size distributions of water-soluble organic carbon(WSOC) during daytime and nighttime, and to investigate sources and formation pathways of WSOC in individual particle size classes. Mass, WSOC, ${NO_3}^-$, $K^+$, and $Cl^-$ at day and night showed mostly bimodal size distributions, peaking at the size range of $0.32-0.55{\mu}m$(condensation mode) and $3.1-6.2{\mu}m$(coarse mode), respectively, with a predominant condensation mode and a minor coarse mode. While ${NH_4}^+$ and ${SO_4}^{2-}$ showed unimodal size distributions which peaked between 0.32 and $0.55{\mu}m$. WSOC was enriched into nuclei mode particles(< $0.1{\mu}m$) based on the WSOC-to-mass and WSOC-to-water soluble species ratios. The sources and formation mechanisms of WSOC were inferred in reference to the size distribution characteristics of inorganic species(${SO_4}^{2-}$, ${NO_3}^-$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Na^+$, and $Cl^-$) and carbon monoxide. Nuclei mode WSOC was likely associated with primary combustion sources during daytime and nighttime. Among significant sources contributing to the condensation mode WSOC were homogeneous gas-phase oxidation of VOCs, primary combustion emissions, and fresh(or slightly aged) biomass burning aerosols. The droplet mode WSOC could be attributed to aqueous oxidation of VOCs in clouds, cloud-processed biomass burning aerosols, and small contributions from primary combustion sources. From the correlations between WSOC and soil-related particles, and between WSOC and sea-salt particles, it is suggested that the coarse mode WSOC during daytime is likely to condense on the soil-related particles($K^+$ and $Ca^{2+}$), while the WSOC in the coarse fraction during nighttime is likely associated with the sea-salt particles($Na^+$).
Two dimensional velocity distributions outside a Mach 2.0 supersonic nozzle have been investigated using digital particle image velocimetry (PIV). Mean velocities, turbulence intensities, vorticity field and volume dilatation field are obtained from 300 instantaneous PIV images using 0.33 $\mu\textrm{m}$$TiO_2$ particle. The seeding particle of larger size, 1.4 $\mu\textrm{m}$$TiO_2$, is also used for the experimental measurements of velocity lag downstream of shock waves according to particle sizes. The results have been compared and analyzed with schlieren photographs and computational fluid dynamics (CFD) results for the velocity distribution, the locations of shock waves and over-expanded shock structure. It was shown that the locations of normal shock and shock waves can be resolved by the axial or radial velocities, and the velocity lag is more significantly increased due to particle inertia as a particle size increases. And it was also found that over-expanded shock structures call be predicted by volume dilatation fields, and streamwise turbulence intensities are influenced significantly by normal shock waves.
The physical characteristics of soot near the soot inception point were investigated with various measurements. In-situ measurements of particle size and volume fraction were introduced based on time resolved laser-induced incandescence (TIRE-LII) and laser-induced ion mobility (LIIM). The one has more convenience and accuracy than conventional LII technique and the other works best for particle sizes of a few nanometers at high concentrations in a uniform concentration field. A complementary ex-situ measurement of particle size is nano differential mobility analyzer (Nano-DMA), which recently developed for measuring particle sizes between 2nm and 100nm and provides high-resolution size information for early soot. Particles will be also collected on transmission electron microscope (TEM) grids using rapid thermophoretic sampling and analyzed for morphology. These measurements will allow fresh and original insight into the characterizing soot inception process. The measured physical properties of incipient soot will clarify the controlling growth mechanism combined with chemical ones, and the dominant mechanism for soot modeling can be deduced from the information.
The calibration technique of Time Resolved Laser Induced Incandescence was investigated both experimentally and numerically by using standard-sized carbon black particles for the instantaneous soot measurement at exhaust tail pipe in engine. The carbon black particles (19nm, 25nm, 45nm and 58nm) used in this study are similar, though not identical, to soot particle generated from flame not only in morphology but also in micro-structure. The amount of soot loading in flow was controled by a diluted gas (nitrogen) and was measured by the gravimetric method at exhaust pipe in calibrator. The successful calibrations of primary particle size and soot mass fraction were carried out at the range from 19nm to 58nm and from $0.25mg/m^3$ to $37mg/m^3$ respectively. And based on these results the numerical simulation of LII signal was tuned and the effect of an exhaust temperature variation on the decay rate of LII signal was corrected.
The sols prepared by dialyzing solutions, in which the hydrolyzed precipitates of TEOT or directly Ti(OC3H7)4 were resolved, were the nanoparticulate sol with the average particle size less than 7 nm and the anatase crystal phase. In the pH range of 1.5 to 2.9, the particle size of the nanoparticulate TiO2 sols (0.09 mol/ι) increased gradually upto 15 nm~26nm with the increase of pH in the initial aging state but the sols were transparent all the time, and stable without growin any more after 30 days. When the slipcasted porous alumina tubes were coated by the sol-gel dipping method, the minimum particle size and the aging time for forming the coated gel layer at the given pH were optimized. For obtaining the very thin crack-free and reproducible membrane coating, the use of a nanoparticulate TiO2 sol (0.09 mol/ι) aged for about 30 dyas at pH=2.0 was found to be the best.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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