Advancing the understanding of PM filter mass stability: unveiling the influence of humidity and temperature

• Autorzy: Widziewicz-Rzońca Kamila , Janas Sławomir , Błaszczak Barbara , Błaszczak Monika , Pyta Halina , Słaby Krzysztof , Rogula-Kopiec Patrycja , Mathews Barbara , Klejnowski Krzysztof

Warianty tytułu

PL

Analiza stanu wiedzy na temat stabilności masy filtrów do pobierania cząstek pyłu zawieszonego: wpływ wilgotności i temperatury

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The intricate interplay between humidity and temperature on PM filter performance has remained a subject of profound scientific interest. By employing fully-automated weighing method and a two-factor regression model, the study aimed to evaluate mass variations of unloaded PM filters under diverse humidity and temperature conditions. Existing guidelines, as posited by the US EPA and the European Standard (EN), have demonstrated a pronounced disparity. The US EPA advocates a narrow humidity range of 30–40% RH, while the EN suggests a broader range of 40–50% RH. The results of this investigation confirm the US EPA’s guidelines, which exhibited superior filter mass stability under varying humidity. In controlled stable temperature conditions of 20°C, the research unveiled significant variations in filter mass as RH% increased from 50% to 55%. It has been proven that under stable temperature conditions (20°C) inside a weighing robot, an increase in relative air humidity from 50% to 55% results in filters mass addition by 15 μg (Q, quartz fibre filters); by 93 μg (PTFE filters); by 9 μg (G, glass fibre filters); by 112 μg (PA, polyamide filters) and by 20 μg (PC, polycarbonate filters). Further exploration of the conditioning ranges prescribed by the EN 12341:2014 standard, the study highlighted glass fibre filters as being notably stable, while polyamide membrane filters posed intriguing challenges potentially related to ionization insufficiencies during the equilibration stage. These findings bear significance for filter manufacturing and conditioning protocols, potentially enhancing the precision of air quality monitoring practices.

PL

Skomplikowana zależność pomiędzy wilgotnością i temperaturą a masą filtrów do pobierania pyłu zawieszonego pozostaje przedmiotem zainteresowania społeczności naukowej. Celem badania była ocena zmian masy nieobciążonych filtrów do pobierania pyłu zawieszonego w różnych warunkach wilgotności i temperatury, wykorzystując w pełni zautomatyzowaną metodę ważenia i dwuczynnikowy model regresji. Istniejące wytyczne, jak postulują EPA i norma europejska (EN), wykazują w tej kwestii wyraźną rozbieżność. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska EPA zaleca węższy zakres wilgotności wynoszący 30–40% RH, podczas gdy EN sugeruje szerszy zakres 40–50% RH. Wyniki tego badania potwierdzają wytyczne amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA), które wykazały doskonałą stabilność masy filtra przy zmiennej wilgotności. W kontrolowanych, stabilnych warunkach temperaturowych wynoszących 20°C analizy wykazały znaczne różnice w masie nieobciążonych filtrów wraz ze wzrostem wilgotności względnej z 50% do 55%. Wykazano, że w stabilnych warunkach temperaturowych (20oC) wewnątrz robota ważącego wzrost wilgotności względnej powietrza z 50% do 55% powoduje wzrost masy filtrów o 15 μg (Q, filtry z włókien kwarcowych); o 93 μg (filtry PTFE); o 9 μg (G, filtry z włókna szklanego); o 112 μg (PA, filtry poliamidowe) i o 20 μg (PC, filtry poliwęglanowe). Analiza zakresów kondycjonowania określonych w normie EN 12341:2014 wykazała, że filtry z włókna szklanego są szczególnie stabilne, podczas gdy filtry z membraną poliamidową stwarzają intrygujące wyzwania, potencjalnie związane z niedostateczną eliminacją ładunków elektrostatycznych na etapie kondycjonowania. Odkrycia te mają znaczenie dla protokołów aplikacyjnych stosowanych przy produkcji filtrów i protokołów kondycjonowania wdrożonych w laboratoriach grawimetrycznych, potencjalnie zwiększając precyzję monitorowania jakości powietrza.

Słowa kluczowe

EN

PM filters; mass deviation; mass measurement; weighting; robotic weighing system

PL

filtry do pobierania pyłu zawieszonego; odchylenia masy; pomiar masy; ważenie; ważenie automatyczne

• Wydawca: Szkoła Główna Służby Pożarniczej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe SGSP / Szkoła Główna Służby Pożarniczej
• Rocznik: 2023
• Tom: Nr 88 (tom 1)
• Strony: 7--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Widziewicz-Rzońca Kamila

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0001-5332-0583

autor

Janas Sławomir

• Radwag Balances and Scales

autor

Błaszczak Barbara

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0001-6661-1638

autor

Błaszczak Monika

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

autor

Pyta Halina

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0003-3925-1977

autor

Słaby Krzysztof

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

autor

Rogula-Kopiec Patrycja

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0003-0772-2922

autor

Mathews Barbara

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0003-4302-3037

autor

Klejnowski Krzysztof

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences

• https://orcid.org/0000-0002-9237-5074

Bibliografia

• 1. Barba-Lobo, A. et al, (2022). Methodology for Determining Particulate Matter Mass in Atmospheric Filters. Environ. Res., 214, Part 1, 113817, https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.113817
• 2. Lacey, R.E., and Faulkner, W.B., (2015). Uncertainty in Gravimetric PM Concentration Measurement. J. Air & Waste Manag. Assoc., 65(7): 887-894.
• 3. NIST (2019). Good Measurement Practice for Weighing Operations: https://doi.org/10.6028/NIST.IR.6969-2019.
• 4. US EPA (2008). Particulate Matter Gravimetric Analysis Procedure. RTI Int. Res. Triangle Park, NC.
• 5. Widziewicz-Rzonca, K. and M. Tytla (2020). Water Sorption by Filter Media for PM Collection. Int. J. Environ. Res. Public Health 17(14).
• 6. Montgomery J.F., et al., 2015. Impact of Relative Humidity on HVAC Filters. Aerosol Sci. Technol. 49, pp. 322-331.
• 7. Bureau Veritas UK (2009). Trends in Gravimetric Particulate Mass Measurements. R. Maggs et al.
• 8. EN 12341:2014 - Gravimetric Measurement Method for PM10 and PM2.5.
• 9. CFR Appendix L to Part 50 - Reference Method for PM2.5 Determination.
• 10. US EPA (2016). Quality Assurance for PM2.5 Monitoring. EPA-454/B-16-001.
• 11. Charell, P.R., Hawley, R.E. (1981). Water Adsorption on Air Sampling Filters. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 42, 353–360.
• 12. Raynor PC, Leith D, Lee K. W., Mukund (2011). Sampling and Analysis Using Filters. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications.
• 13. Brown, A. S., et al. (2006). Effect of Humidity on Filter Materials for PM Measurements. Atmos. Environ. 40(25): 4670-4678.
• 14. Harris G.L. (2019). Laboratory Practices for Mass Calibrations (2019 Edition).
• 15. Su, W., et al. (2008). Effect of Humidity on Filter and Gravimetric Measurement of PM. Chin. J. Ind. Hyg. Occup. Dis. 26, 198–202.
• 16. Frohlich T., Fehling T, Heydenbluth D (2009). Mass Dissemination using a Robot System. Int. Conf. on Precision Measurement.
• 17. Ren, XP et al., (2013). Mass Metrology Based on Robotic Mass Measurement System.
• 18. Allen, R., et al. (2001). Cost-effective Weighing Chamber for Particulate Matter Filters. J. Air & Waste Manag. Assoc. 51(12): 1650-1653.
• 19. Carlton, A. M. and A. Teitz (2002). Design of a Weighing Facility for PM 2.5 Quality Assurance. J. Air & Waste Manag. Assoc. 52: 506-510.
• 20. Ogden, M.W., et al. (2015). Robotic System for Filter Weighing.
• 21. Presler-Jur, A. P., et al. (2016). Robotic Weighing System Performance. Aerosol Air Qual. Res. 16(10): 2438-2451.
• 22. PFS-ONE CHAM. https://static.horiba.com/fileadmin/Horiba/Products/Automotive/Emission_Measurement_Systems/PFS-ONE/PFS-ONE_Brochure_ENG.pdf
• 23. Mettler Toledo (2021). Automated Filter Weighing. https://www.mt.com/tw/zt/home/products/Laboratory_Weighing_Solutions/mettlerproduct-collaboration/Automated-Filter-Weighing.html
• 24. Comde-Derenda. https://www.comde-derenda.com/en/products/automatic-weighing-system-aws-1re/
• 25. RB 2.4Y.F Filter Weighing Robot, https://radwag.com/.
• 26. L‘Orange Ch., Neymark G., Carter E., Volckens J (2021). High-throughput, Robotic System for Aerosol Sampling Filters. Aerosol Air Qual. Res. 210037.
• 27. Rasmussen,P.E; Gardner,H.D; and Niu,J.J; (2010). Buoyancy-Corrected Gravimetric Analysis of Filters. J. Air & Waste Manag. Assoc. 60 (9), pp.1065-1077.
• 28. World Health Organization. (2021). Global Air Quality Guidelines. https://apps.who.int/iris/handle/10665/345329.
• 29. JCGM 100:2008 - Guide to Uncertainty in Measurement.
• 30. Widziewicz-Rzońca K., et al. (2020). Water in Ambient Particulate Matter. Sustainability 12(15): 6196.
• 31. Weighing Procedure (2021). Mass Determination of Filters With RB 2.4Y.F Robot. https://radwag.com/pl/.
• 32. Kraus Michal and Juhásová Šenitková Ingrid 2017. PM Mass Concentration in Buildings. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 245 042068.

Uwagi

Przez pomyłkę nadano DOI z puli drugiego czasopisma uczelni, dlatego jest błąd wyświetlania.