LYHYTKESTOISEN VESISUMUTUSMENETELMÄN TEHOKKUUS PÖLYNHALLINNASSA

LYHYTKESTOISEN VESISUMUTUSMENETELMÄN TEHOKKUUS PÖLYNHALLINNASSA Maija Väänänen Pro Gradu tutkielma Ympäristötieteen koulutusohjelma / Ympäristöterveys Itä-Suomen yliopisto, Ympäristö- ja biotieteiden laitos Marraskuu 2018

ITA -SUOMEN YLIOPISTO, Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta Ympäristötieteen koulutusohjelma, Ympäristöterveys Maija Väänänen: Lyhytkestoisen vesisumutusmenetelmän tehokkuus pölynhallinnassa Pro Gradu -tutkielma 43 sivua Tutkielman ohjaajat: FM Anna Kokkonen, Tutkimusjohtaja Pertti Pasanen Marraskuu 2018 Avainsanat: Pölynhallinta, aerosoli, pöly, vesipisara, rakentaminen Veden käyttöä pölynhallinnassa on käytetty erityisesti kaivosteollisuudessa, mutta vesisumutusmenetelmä on sovellettavissa myös rakennustyömaan olosuhteisiin. Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että veden käyttö työvaiheiden aikana on tehokas tapa vähentää pölyn hiukkaspitoisuutta ilmassa. Perinteisiin märkämenetelmiin saattaa kuitenkin liittyä erilaisia haitta- ja riskitekijöitä. Pölyntorjunnan kannalta ilmaan vapautuneen hienojakoisen pölyn poistuminen luonnollisten poistumismekanismien avulla on vaikeaa, sillä pölyhiukkaset voivat leijailla ilmassa tunneista jopa muutamaan päivään. Lisäksi kaikkein hienojakoisin pöly nousee herkästi pinnoilta takaisin ilmaan. Lyhytkestoisella vesisumutusmenetelmällä pölyävän työvaiheen jälkeen voidaan välttää perinteisiin märkämenetelmiin liitettyjen suurien vesimäärien aiheuttamat haittavaikutukset. Tämän Pro Gradu- tutkielman tavoitteena oli tarkastella lyhytkestoisen vesisumutusmenetelmän tehokkuutta alentaa pölypitoisuuksia pölyn tuoton jälkeen laboratorioolosuhteissa, jossa tuotettiin rakennuspölypitoisuustasoja vastaavaa pitoisuus harjageneraattorin avulla. Ilman pölypitoisuuden alenemista tarkasteltiin ajallisen vaihtelun suhteen vesisumutuksen kanssa ja vastaavasti ilman vesisumutusta. Hengittyvän pölyn pitoisuutta mitattiin ilmasta keräämällä suodatinnäytteet IOM-keräimillä, jotka asetettiin tutkittavaan tilaan kahteen mittauspisteeseen hengitysvyöhykettä vastaavalle korkeudelle. Hiukkaspitoisuuksia mitattiin myös jatkuvatoimisella mittarilla (TSI Dustrak DRX), joka mittasi tutkittavassa tilassa PM2,5 ja PM10 -pölyjakeita. Tutkittavassa tilassa seurattiin kokeiden aikana lämpötilan ja ilman suhteellisen kosteuden vaihtelua. Lisäksi vesisumun käytön materiaaleja kostuttavaa vaikutusta arvoitiin käytetyn veden määrän ja visuaalisen havainnoinnin avulla. Testihuoneen ilmanvaihtuvuus määritettiin merkkiaineen alenemamenetelmällä. Tutkimuksen tulosten perusteella pölyä tuottavan työvaiheen jälkeen toteutettava lyhytkestoinen vesisumutusmenetelmä alensi tehokkaasti pölypitoisuuksia, mutta puhdistusvaikutus kesti vesisumutuksen ja sumupisaroiden laskeutumisen ajan. Menetelmä tehostaa ilman puhdistumista ja sillä voidaan hallita ilmaan vapautuneen pölyn leviämistä. Vesisumutusmenetelmä on rinnastettavissa pitoisuuksia laimentavaan tilan yleisilmanvaihtoon. Lyhytkestoinen sumutusmenetelmä ei kuitenkaan korvaa työvaiheen aikana käytettäviä pölyntorjuntakeinoja, vaan toimii täydentävänä menetelmänä muiden pölyntorjunnan keinojen rinnalla.

UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND, Faculty of Science and Forestry Degree Programme in Environmental Science, Environmental Health Maija Väänänen: Laboratory evaluation of control of dust by using short-term water misting Master s thesis, 43 pages Supervisors: MSc. Anna Kokkonen, Research Director Pertti Pasanen November 2018 Keywords: Dust suppression, aerosol, dust, water droplet, construction The use of water to suppress and reduce respirable dust levels is widely used in the mining industry. In addition, water misting system may be an applicable method for controlling dust levels in construction sites, where airborne dust levels can be high in specific tasks. In construction site, task-spesific respirable dust exposure is usually high during stone and concrete finishing activities. Many studies have reported that the use of water-based dust suppression measures in real time is an efficient method to reduce dust concentration. However, these conventional wet methods using running water have safety issues due to a high water consumption. A short-term water misting method is based on low water consumption to avoid harmful wetting of materials. The aim of this Master s Thesis was to study how short-term water misting after dust generation reduces the dust concentration in the laboratory conditions. A portable handheld misting device was used. Dust aerosol was introduced into the air with a brush generator. Dust levels produced in the laboratory were comparable to those observed during construction tasks. Reduction of dust concentrations were monitored both with and without misting. Inhalable dust concentrations were assessed from two stationary locations in the test room by using the IOM sampler. PM2.5 and PM10 concentrations were measured in real-time with Dustrak DRX aerosol monitor. Temperature and relative humidity were also recorded during the measurements. The air exchange rate of the test room was assessed by a tracer gas method. The main result of this Master s Thesis study was that short-term water misting method is an effective measure to control the airborne dust after dust-producing tasks, but the water misting affected particle removal during the misting and for a short period following that. The performed short-term misting did not cause significant wetting of materials according to visual observations and RH measurements. In conclusion, misting method can be considered as a complementary method with other dust control measures. It is considered similar to a general ventilation method that dilutes the work-generated airborne dust concentrations.

ESIPUHE Ta ma opinna ytetyo laboratoriokokeineen on tehty Ita -Suomen yliopiston Ympa risto - ja biotieteiden laitoksella. Ta ma opinna ytetyo oli osa hanketta Rakennustyo paikan po lyn levia misen hallinta vesisumutusmenetelma lla, joten kiitokset tutkielman toteutumisesta hankkeen rahoittajalle Työsuojelurahastolle. Lisäksi haluan kiittää yhteistyöyritystä Meranti siivouspalvelu Ky. Tyo n ohjaajina toimivat nuorempi tutkija Anna Kokkonen ja tutkimusjohtaja Pertti Pasanen. Työn tarkastajina toimivat Pertti Pasanen ja vanhempi asiantuntija Arto Säämänen Työterveyslaitokselta. Haluan kiitta a ohjaajiani asiantuntevasta opinnäytetyöni ohjauksesta. Erityiskiitokset ohjaajalleni Anna Kokkoselle positiivisesta energiasta, kannustuksesta ja kärsivällisyydestä neuvoa ja ohjata tämä opinnäytetyö loppuun, huolimatta aikataulun muutoksista matkan varrella. Lisäksi haluan kiittää vanhempiani saamastani suuresta tuesta koko opiskeluni ajan ja avopuolisoani Timoa erityisesti työn loppuvaiheessa. Kuopiossa 06.11.2018

SISÄLLYSLUETTELO ESIPUHE... 4 1 JOHDANTO... 6 2 KIRJALLISUUSKATSAUS... 7 2.1 HIUKKASDEPOSITIOON VAIKUTTAVAT MEKANISMIT... 7 2.1.1 Agglomeraatio... 7 2.1.2 Painovoimainen agglomeraatio... 8 2.1.3 Turbulenttinen agglomeraatio... 8 2.1.4 Termoforeesi... 9 2.1.5 Pisaraominaisuudet... 9 2.1.6 Pintajännitys... 11 2.2 VEDEN KÄYTTÖ PÖLYNHALLINTAKEINONA... 11 2.2.1 Vesivoitelu... 12 2.2.2 Vesisumutus... 13 2.2.3 Pölynsidonta aineet ja hiukkasten sähköisen varauksen muuttaminen... 15 3 TUTKIMUKSEN TAVOITTEET... 16 4 AINEISTO JA MENETELMÄT... 17 4.1 KOEASETELMA... 17 4.2 OLOSUHDEMITTAUKSET... 19 4.3 HIUKKASMITTAUKSET... 19 4.4 VESISUMUTUKSEN PUHDISTUSTEHOKKUUS... 22 5 TULOKSET... 23 5.1 OLOSUHTEET... 23 5.1.1 Ilman suhteellinen kosteus ja lämpötila... 23 5.2 HENGITTYVÄ PÖLY... 25 5.3 PM10 JA PM2,5... 27 5.4 PUHTAAN ILMAN TUOTTO... 32 6 TULOSTEN TARKASTELU... 34 6.1 OLOSUHTEET... 34 6.2 PÖLYN ALENEMA... 34 6.3 TYÖN VIRHELÄHTEET... 37 7 JOHTOPÄÄTÖKSET... 38 LÄHTEET... 39

6 1 JOHDANTO Pölynhallinta on tärkeä osa työterveyden ja -turvallisuuden kannalta (Ren ym. 2011). Eurooppalaisessa standardissa EN 481 (CEN 1993) on luokiteltu hiukkaset eri kokoluokkiin niiden kyvyn mukaan tunkeutua hengitysteihin. Alveolijakeen pölyhiukkaset pääsevät syvälle alempiin hengitysteihin, jossa ne voivat kertyä keuhkorakkuloihin, kun taas halkaisijaltaan yli 5 mikrometrin hiukkaset kertyvät pääsääntöisesti ylempiin hengitysteihin. Hienojakoisten pölyhiukkasten terveysvaikutuksista on tehty useita tutkimuksia ja erityisesti alveolijakeisen pölyn on todettu olevan terveydelle haitallisinta useissa rakennusteollisuuden tehtävissä ja työvaiheissa, joissa pölypitoisuudet voivat nousta hyvin korkeiksi. Työtehtäviä- ja vaiheita, joissa työntekijä altistuu korkeille alveolijakeisen pölyn pitoisuuksille, ovat muun muassa kivimateriaalin työstö, muuraus ja hionta- ja tasoitetyöt (Flanagan ym. 2006, Shepherd ym. 2009). Myös rakennussiivouksen aikana hienojakoisimman pölyn pitoisuudet voivat nousta hetkellisesti hyvin korkeiksi (Riala 1988, Peters ym. 2009). Kivipölyä eniten tuottavien työtehtävien- ja vaiheiden vaihteleva kesto ja ympäröivät olosuhteet tekevät pölynhallinnan tutkimisen erityisen haastavaksi. Rakennusteollisuudessa, kuten muillakin aloilla, työntekijöiden pölyaltistumista tulee pyrkiä vähentämään pölyntorjunnan perusperiaatteiden mukaisesti. Ensisijainen tavoite on pölyn muodostumisen estäminen mahdollisimman tehokkaasti käyttämällä vähemmän pölyäviä materiaaleja ja suunnittelemalla työvaiheita- ja menetelmiä niin, että ne tuottaisivat mahdollisimman vähän pölyä. Toisena keinona on pölyn leviämisen estäminen, esimerkiksi kohdeilmanvaihdon ja tilojen osastoinnin avulla. Viimeisenä toimenpiteenä on henkilökohtaisten suojainten käyttö. Rakennusteollisuuden jatkuva kasvu synnyttää uusia haasteita paremmalle pölyntorjuntatekniikalle ja samalla työntekijöiden työturvallisuuden edistämiselle. Tämän Pro Gradu- tutkielman tavoitteena oli tarkastella laboratorio-olosuhteissa lyhytkestoisen vesisumutusmenetelmän tehokkuutta yksinään alentaa ilmaan levinneen rakennuspölyn hiukkaspitoisuuksia pölyn tuoton päättymisen jälkeen.

7 2 KIRJALLISUUSKATSAUS 2.1 HIUKKASDEPOSITIOON VAIKUTTAVAT MEKANISMIT Depositio tarkoittaa hiukkasten poistumista ilmasta pinnoille. Veden puhdistusvaikutus ja pölyhiukkasten sieppaus ilmasta perustuu erilaisiin fysikaalisiin ilmiöihin, kuten diffuusioon, agglomeraatioon ja gravitaatioon. Näillä ilmiöillä on vaikutusta hiukkasten kasvuun ja yhteen kokoontumiseen sekä laskeutumisnopeuteen ilmasta (Cheng 1978). Vaikuttava mekanismi riippuu hiukkasten koosta. Suuremmille hiukkasille, joiden halkaisija on yli 5 µm, merkittävä vaikuttava voima on agglomeraatio, koska suuremmilla hiukkasilla on enemmän pinta-alaa, johon muiden pienempien hiukkasten on helpompi tarttua (Hinds 1999). Pienimpien hiukkasten pinnoille asettumiseen vaikuttavista fysikaalisista ilmiöistä diffuusiolla on suurin vaikutus, koska diffuusiokerroin on suhteessa hiukkasten kokoon ja kuvaa ikään kuin hiukkaseen kohdistuvan ilmiön voimakkuutta (Hinds 1999). Pölyhiukkasten depositioon vaikuttaa merkittävästi eri kokoisten hiukkasten saavuttama terminaalinen laskeutumisnopeus eli rajanopeus. Hiukkasen saavuttama rajanopeus tarkoittaa suurinta nopeutta, jonka pölyhiukkanen voi saavuttaa laskeutuessaan ilmasta kiinteälle pinnalle. Hiukkasten laskeutumista kuvaa myös käsite terminaalinen laskeutuminen. Terminaalinen laskeutuminen ilmasta on nopeinta suuremmille hiukkasille, kun taas pienhiukkasille (PM2,5) terminaalinen laskeutuminen ilmasta voi kestää useista tunneista jopa muutamiin päiviin. Tämä johtuu siitä, että pienhiukkasilla on suhteellisesti suurempi pinta-ala suhteessa massaan, jolloin myös hiukkaseen kohdistuva suhteellinen ilmanvastus on suurempi ja näin ollen hidastaa hiukkasen laskeutumisnopeutta ilmassa (Smith 2001, Hinds 1999). 2.1.1 Agglomeraatio Agglomeraatio tarkoittaa kiinteiden partikkelien, tässä tapauksessa pölyhiukkasten, törmäämistä toisiinsa ilmassa vesisumupisaroiden sitomana, jolloin hiukkaset takertuvat toisiinsa muodostaen suurempia ja massaltaan painavampia hiukkasia. Hiukkasten lukumääräpitoisuus alenee, mutta niiden massa kasvaa. Agglomeraatio-ilmiön synonyymi on koagulaatio, mutta koagulaatio-nimitystä käytetään perinteisesti nesteissä liikkuvista hiukkasista. Koagulaatio on myös aerosolien liikkeitä kuvaava termi. Agglomeraation

8 seurauksena syntyneitä suurempia ja painavampia hiukkasia kutsutaan agglomeraateiksi (Hinds 1999). Brownin agglomeraatio perustuu Brownin liikkeeseen, jossa hiukkaset leijailevat ja liikkuvat ilmassa satunnaisesti kiemurrellen johtuen ympäröivien kaasumolekyylien törmäyksistä niihin. Brownin liikkeen yhteydessä puhutaan myös diffuusiosta, joka on hiukkasten liikkumista pitoisuusgradientin suuntaan eli korkeammasta pitoisuudesta laimeampaan pitoisuuteen. Diffuusio on verrannollinen lämpötilaan, mutta kääntäen verrannollinen hiukkasten lukumäärään, minkä takia diffuusio-ilmiö on tyypillinen pienemmille hiukkasille (Hinds 1999). 2.1.2 Painovoimainen agglomeraatio Gravitaatioon eli luonnolliseen painovoimaan perustuvaan hiukkasten laskeutumiseen ja asettumiseen vaikuttavat eri nopeuksilla liikkuvien hiukkasten koko ja tiheys sekä ympäröivän kaasun ominaisuudet. Erilaiset laskeutumisnopeudet johtuvat ilmanvastuksen erilaisesta vaikutuksesta eri kokoisiin hiukkasiin. Painovoimainen agglomeraatio on merkittävä ilmiö isompien, halkaisijaltaan yli 10 µm kokoisille hiukkasille, koska tässä tapauksessa diffuusion vaikutusta ei huomioida (Hinds 1999). Gravitaation synnyttämää agglomeraatiota kuvaava kerroin, β g, saadaan kaavasta β g(dp d w ) = π 4 k g(d p +d w) 2 v s (1) Kaavan termi v s kuvaa hiukkasten ja pisaroiden laskeutumisnopeuksien eroa (Enbom ym. 1996). 2.1.3 Turbulenttinen agglomeraatio Hiukkasten ja vesipisaroiden vuorovaikutukseen vaikuttavia keskeisiä tekijöitä ovat niiden väliset nopeuserot, mikä aiheutuu vesisumutussuihkun synnyttämistä pyörteisistä ilmavirtauksista. Turbulenttiselle agglomeraatiolle on esitetty vastaavanlainen kaava kuin gravitaation aiheuttamalle agglomeraatiolle

9 β g(dp d w ) =0,163(d p +d w ) 3 ( ed v ) 1 2 (2) Turbulenttisen agglomeraation kaavassa termi ed kuvaa turbulenttista kerrointa ja termi v ilman kinemaattista viskositeettia eli dynaamista viskositeettia (Enbom ym. 1996). Agglomeraatiota voi myös aiheutua vesipisaroiden ja hiukkasten sähköisistä varauksista, jotka saavat ne kiinnittymään toisiinsa. Turbulenttinen ja sähköinen agglomeraatio ovat Enbomin ym. (1996) mukaan yhtä tehokkaita, vaikka turbulenttisessa agglomeraatiossa vesipisaran ja hiukkasen väliseen kiinnittymiseen vaikuttavat lisäksi turbulenttisen ilmavirtauksen aiheuttamat nopeus- ja hitauserot. 2.1.4 Termoforeesi Lämpötilan vaikutus kasvaa epäsymmetrisesti hiukkasen ja sitä ympäröivien kaasumolekyylien vuorovaikuttaessa toisiinsa. Lämpötilagradientti hiukkasta ympäröivässä kaasussa voi synnyttää voimia, jotka kohdistuvat pölyhiukkaseen. Hiukkasten liikettä, joka aiheutuu lämpötilagradientin vaikutuksesta ympäröivässä kaasussa, kutsutaan termoforeesiksi. Termoforeesissa hiukkanen siirtyy ympäröivässä kaasussa lämpötilagradientin voimasta sinne suuntaan, jossa vallitsee alhaisempi lämpötila (Hinds 1999). 2.1.5 Pisaraominaisuudet Syötetyn vesisumun pisarakoon avulla voidaan tehostaa pölyhiukkasten poistumista ilmasta. Vesipisaroiden tehokkuuteen vuorovaikuttaa pölyhiukkasten kanssa vaikuttavat pölyhiukkasten koon lisäksi liukoisuus, hiukkasten hydrofobisuus- tai hydrofiilisyys, vettä sitovien suolojen läsnäolo, sähköinen varaus sekä olosuhteet kuten lämpötila, paine, suhteellinen kosteus ja kostuvuus. Kun vesipisaroiden koko vastaa lähelle pölyhiukkasten kokoluokkaa, noin 1 10 µm, puhdistustehokkuus on joissakin tutkimuksissa todettu olevan suurempi (Mody ym. 1988, Murfitt ym. 1989, Joshi 2009, Ren ym. 2011).

10 Eräässä tutkimuksessa (Charinpanitkulin ym. 2011) selvitettiin halkaisijaltaan <10 µm hiukkasten depositiota ilmasta. Charinpanitkulin ym. (2011) mukaan halkaisijaltaan 80 100 µm vesipisarat omaavat paremman pölyn poistotehokkuuden verrattuna halkaisijaltaan suurempiin, vesipisaroihin. Tätä ilmiötä selittää hiukkasten interseptio. Interseptio tarkoittaa pienten hiukkasten liikettä ilmavirtojen mukana, jolloin ne ajautuessaan liian lähelle vesipisaraa saattavat törmätä siihen. Lisäksi tutkimuksessa todettiin, että vesipisaroiden ja pölyhiukkasten nopeuden alentuessa pölyhiukkasten interseption vaikutus myös heikkenee. Vastaavia johtopäätöksiä esitettiin myös Gottesfeldin ym. (2008) tutkimuksessa, jossa selvitettiin, että paras pölyn poistotehokkuus saavutetaan syöttämällä tilaan hienoa, pisarakooltaan 10 250 µm vesisumua ja sijoittamalla vesisumua syöttävät suuttimet poispäin pölyä tuottavasta lähteestä. Hiukkasen ja vesipisaran välinen nopeusero on merkittävässä roolissa niiden todennäköisyydessä törmätä ja tarttua toisiinsa. Kuvassa 1 on esitetty, kuinka pölyhiukkanen kulkeutuu seuraamaan ilmassa vesipisaran aikaansaamia ilmavirtauksia ja todennäköisimmin osuu yhteen vesipisaran kanssa, kun ne ovat samaa kokoluokkaa. Liian suuri vesipisara luo vastaavasti laajempia ilmavirtauksia ympärilleen, jolloin myös pienempi pölyhiukkanen ajautuu siitä kauemmas (Joshi 2009). Kuva 1. Vesipisaran ja pölyhiukkasen kontaktipinnan muodostuminen riippuen pisaran ja hiukkasen koosta (http://www.zkg.de).

11 Erään tutkimuksen mukaan suurten hiukkasten puhdistustehokkuuden on todettu lisääntyvän, kun vesisumua syöttävä suutin asetetaan lähemmäs sumutettavan tilan seinää (Enbom ym. 1996). Tähän on todennäköisesti syynä se, että sumutussuihkun törmäysvaikutus on tehokkaampi, kun sumutus osuu vasten läheistä pintaa ja suurempien hiukkasten nopeus on niin suuri seinää kohden, että ne kiinnittyvät seinän pintaan paremmin (Enbom ym. 1996). Hydrauliset, perinteisesti kaivosteollisuudessa käytetyt vesisumutuslaitteistot ja menetelmät syöttävät useita satoja mikrometrejä halkaisijaltaan olevia vesipisaroita, jotka eivät suuresta koostaan johtuen pääse törmäämään hienoimpiin ja terveydelle haitallisimpiin pölyhiukkasiin, jotka ovat halkaisijaltaan alle 10 µm (Ren ym 2011). Vesipisaroiden kokoa voidaan hallita säätelemällä painetta, jolla vettä syötetään. Tällä voidaan edelleen vaikuttaa vesipisaroiden kulkeutumisnopeuteen ilmassa (Pollock ym. 2007). 2.1.6 Pintajännitys Veden korkealla pintajännityksellä on vaikutus siihen, miksi vesi ei yksistään välttämättä ole riittävä sitomaan tai tunkeutumaan hienoon kivimurskaan. Suuri pintajännitys aiheuttaa veden kovuutta, jolloin vesipisaran kasteleva vaikutus heikkenee (Tessum ym. 2016). 2.2 VEDEN KÄYTTÖ PÖLYNHALLINTAKEINONA Veden käyttöä pölynhallinnassa on tutkittu pääasiassa kaivos- ja kiviteollisuudessa. Tavanomaisia märkämenetelmiä on käytetty, koska ne ovat helppokäyttöisiä ja helposti asennettavissa haluttuun tilaan tai kohteeseen. Tyypillisesti perinteiset märkämenetelmät käyttävät vapaana virtaavaa vettä. Vapaana virtaavan veden runsas käyttö johtaa myös kysymyksiin taloudellisista ja työympäristön turvallisuuteen vaikuttavista seikoista (Wallace ym. 2013). Pölynhallintakeinona veden käyttöön saattaa liittyä erilaisia haitta- ja riskitekijöitä: Vesi voi aiheuttaa esimerkiksi materiaalivahinkoja tai sähköisku- ja liukastumisvaaraa (Croteau ym. 2004). Pölyntorjunnan kannalta ilmaan vapautuneen hienojakoisen pölyn poistuminen luonnollisten poistumismekanismien avulla on vaikeaa, sillä alveolijakeiset pölyhiukkaset voivat leijailla ilmassa tunneista jopa muutamaan päivään. Lisäksi kaikkein hienojakoisin pöly nousee herkästi

12 pinnoilta takaisin ilmaan. Vesisumutuksella voidaan hallita ilmaan vapautuneen pölyn leviämistä. 2.2.1 Vesivoitelu Vesivoitelu on tavallisesti käytetty pölynsidontakeino erityisesti kivi- ja metalliteollisuudessa ja siitä on olemassa erilaisia käyttömalleja. Tavallisesti vesivoitelu perustuu siihen, että työstettävä materiaali kulkee sekoittuvan vesikylvyn läpi. Ilmavirtaus aiheuttaa veteen turbulenttisia pyörteitä, jotka erottavat hiukkasia vedestä laskeuttaen hiukkaset keskipakoisvoiman vaikutuksesta pohjalle lietteeksi. Yksinkertaisimmassa mallissa pölyä synnyttävä materiaali kulkee suoraan vapaana virtaavan veden läpi ja tästä systeemistä vapautuu puhdistettua ilmaa. Kuvassa 2 on teollisuudessa yleisesti käytetty malli vettä käyttävästä pölynsidonnan ratkaisusta. Eräässä tutkimuksessa (Flynn ym. 2003) tultiin johtopäätökseen, että teollisuudessa käytetyssä märkäleikkausmenetelmässä tulisi käyttää vettä vähintään 1,9 l/min, jotta pölyhiukkasten puhdistustehokkuus olisi paras mahdollinen. Syötetyn veden määrä on vaihdellut suuresti eri tutkimusten välillä muutamista desilitroista kahteen litraan. Toisessa vastaavanlaisessa tutkimuksessa (Echt ym. 2003), jossa tutkittiin betonipölypitoisuuksien alenemista, päästiin erinomaisiin puhdistustuloksiin pienemmälläkin vesimäärällä, kun veden tilavuusvirta oli 3,5 dl/min. Työvaiheen aikaisen vapaana virtaavan veden tai vesisumutusmenetelmän avulla on voitu tehokkaasti vähentää muun muassa kiteisen kvartsipölyn pitoisuuksia hengitysilmassa. Vesivoitelun on todettu alentavan muun muassa kvartsipölypitoisuutta yli 80 % niin rakennuskuin muillakin teollisuuden aloilla (Gottesfeld ym. 2008). Kuvassa 2 on teollisuudessa käytettävä malli, jossa pölyä tuottava työstettävä materiaali käsitellään kaapin sisällä, jossa on työtasosta alaspäin suuntautuva veto ja samalla laitteessa kiertävä vesi kastelee ilman ja näin ollen sitoo pölyä.

13 Kuva 2. Teollisuuden yksinkertainen käyttömalli vesivoitelua käyttävästä pölynsidonnan menetelmästä (http://giberson-us.com/machines/hydrotron-dhyd-series/). Vuonna 2003 julkaistussa hollantilaisessa tutkimuksessa (Tjoe Nij ym. 2003), jossa työstettävää materiaalia ainoastaan kostutettiin kevyesti kastelemisen sijaan, altistustasot nousivat. Syyksi esitettiin, että materiaalin kostuttaminen saattoi antaa työntekijöiden uskoa, että pölypitoisuudet eivät nouse niin korkeiksi ja näin ollen henkilökohtaista suojautumista laiminlyötiin tai kostutetun materiaalin työstäminen oli työläämpää kuin kunnolla kastellun, mikä näin ollen nosti pitoisuuksia. Toisaalta tutkimustulokset myös osoittivat, että työvaiheen aikaisten märkämenetelmien ja kohdeilmanvaihdon yhteisvaikutukset pölynhallinnassa ovat hyvin todennäköisesti tehokkain tapa vähentää pölyaltistumista rakennusteollisuudessa (Tjoe Nij ym. 2003). 2.2.2. Vesisumutus Kiven murskausasemilla vettä käytetään tavallisesti suoraan kastelemalla pölyä synnyttävät

14 lähteet. Useimmiten ei kuitenkaan voida kastella suoraan materiaalia, jolloin vesisumutusmenetelmä on toimiva ratkaisu avointen tilojen ilman puhdistamiseen. Vesisumutusta on käytetty myös maataloudessa, kuten turpeen- ja viljan vastaanottoasemilla (Heinonen ym. 2004). Erilaisia sprinkler- mallisia vesisumuttimia on käytetty pölynhallinnassa ja syntyvien pölypitoisuuksien alentamisessa, mutta hengittyvien pölyhiukkasten sitomiseen perinteiset hydrauliset menetelmät eivät välttämättä ole paras mahdollinen keino alentaa ja sitoa pölyhiukkasia ilmasta. Mikäli vesiaerosolit ovat paljon suurempia kuin itse hienojakoisimmat ja syvälle alempiin hengitysteihin yltävät pölyhiukkaset, kooltaan alle 10 mikrometriä olevat hiukkaset eivät pääset törmäämään vesipisaraan (Brouwer ym. 2004, Ren ym. 2011). Erityisesti vesipisaroiden ja pölyhiukkasten vuorovaikutusta on tutkittu kattavasti ja tutkimustulokset ovat osoittaneet, että vesisumutus on tehokas keino alentaa ja hallita pölypitoisuuksia työvaiheiden aikana jatkuvatoimisesti käytettynä (Bharath ym. 1997, Ren ym. 2011). Muutamassa tutkimuksessa, lyhyen aikavälin mittaustulokset ovat osoittaneet, että veden käyttö yhdessä työkaluihin liitetyn kohdepoiston kanssa voi vähentää alveolijakeisen pölyn pitoisuuksia jopa 90 % (Hallin 1983, Chisholm 1999, Thorpe ym. 1999). Toisaalta tutkimuksissa on myös esitetty, että hienointa vesisumua syöttävillä sumutuslaitteilla hengittyvän pölyn pitoisuudet ilmassa ovat alentuneet jopa 60 79 % (Kobrick 1970, Gottesfeld ym. 2008). Vesisumutus kuluttaa vähemmän vettä ja pinnat kuivuvat nopeammin kuin vapaana virtaava vesi (Beamer ym. 2005). Useat tutkimukset, joissa on selvitetty muun muassa alveoli- tai kvartsipölylle altistumista rakennusteollisuudessa, ovat osoittaneet, että paineistetun vesisumun syöttäminen on merkittävästi alentanut pölypitoisuuksia tutkittavassa tilassa, kun sumutus on tehty työvaiheen aikana (mm. Thorpe ym. 1999, Beamer et al. 2005). Jotta vesisumutusmenetelmän avulla voitaisiin alentaa hiukkaspitoisuuksia mahdollisimman tehokkaasti, on huomioitava sumutuslaitteiston käyttötila ja pölylähteen tuottama hiukkaskoko, jota halutaan torjua (Gottesfeld ym. 2008). Keskeisiä seikkoja vesisumutuslaitteen toimivuuden kannalta pölynhallinnassa ovat myös vedensyöttöpaine, laitteen suulakkeen kuviointi ja syötetyn veden pisarakoko (Gottesfeld ym. 2008). Laboratoriokokeissa, joissa on tutkittu erilaisten vesisumutukseen käytettävien suuttimien toimivuutta, on edellä mainittujen seikkojen lisäksi havaittu, että mahdolliset esteet lähellä vesisumutuslaitetta voivat vaikuttaa pölyhiukkasten laskeutumiseen ilmasta ja näin ollen saavutettuun puhdistustulokseen (Pollock ym. 2007, Prostanski 2013). Tiheää, pienen pisarakoon vesisumua syöttävää sumutuslaitetta- tai suutinta

15 voidaan käyttää tehokkaasti sitomaan pölyhiukkasia jo niiden tuottolähteestä ja näin ollen ehkäistä niiden pääsyä ilmaan (Joshi 2009). 2.2.3 Pölynsidonta-aineet ja hiukkasten sähköisen varauksen muuttaminen Pölynsidonta-aineiden käyttö perustuu veteen lisättävistä pinta-aktiivisista aineista eli tensideistä, jotka tarkoittavat kemiallisia yhdisteitä, joissa on hydrofiilinen eli vesihakuinen ja hydrofobinen eli vettä pakeneva pää. Hydrofiilisyys ja hydrofobisuus viittaavat elektronitiheyden jakauman epätasaiseen jakautumiseen molekyylissa siten, että molekyyliin syntyy positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet päät. Kun vesiliuoksen konsentraatio eli väkevyys kasvaa, pinta-aktiiviset aineet muodostavat pallomaisia molekyyliketjuja eli misellejä, joissa vettä pakenevat, negatiivisesti varautuneet molekyylit pyrkivät kohti misellin keskustaa ja vesihakuiset positiivisesti varautuneet molekyylit jäävät ulkoreunoille kosketuksiin veden kanssa (Aulanko 2006). Veteen sekoitettuna suuri molekyyliset tensidit tunkeutuvat vesimolekyylien välille alentaen pintajännitystä ja parantaen veden kostutuskykyä eli pehmentävät vesiliuosta. Veden pintajännitystä alentavien pölynsidonta-aineiden käyttö on yleistä kaivosteollisuudessa, erityisesti kivihiilikaivoksissa.

16 3 TUTKIMUKSEN TAVOITTEET Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää työvaiheen jälkeen tehtävän lyhytkestoisen vesisumutuksen tehokkuutta alentaa pölypitoisuuksia tutkittavassa tilassa, johon tuotettiin keinotekoisesti rakennustyövaiheita, kuten kivimateriaalin työstöstä tai piikkauksesta, vastaavia pölypitoisuustasoja. Laboratorio-olosuhteet luotiin aiemmin toimistotilana käytettyyn pieneen testihuoneeseen. Veden käytöstä pölypitoisuuksien alentamisessa työvaiheiden aikana on tehty kansainvälisesti useita tutkimuksia. Tietyistä työvaiheista, erityisesti kivimateriaalin työstöstä aiheutuvat pölyn hiukkaspitoisuudet voivat olla paikallisesti hyvin suuria ja työkoneiden ja -laitteiden mahdollisesta kohdepoistoista huolimatta hienojakoinen pöly pääsee leviämään helposti ilmavirtauksien mukana. Työvaiheiden aikana käytetyt märkämenetelmät voivat olla omiaan aiheuttamaan työturvallisuusriskejä, joten vähäisemmän vesimäärän käyttö pölynhallinnassa on tarkoituksenmukaista. Tässä Pro Gradu -tutkielmassa keskityttiin tarkastelemaan lyhytkestoisen vesisumutuksen tehokkuutta alentaa pölyn hiukkaspitoisuuksia, kun pölyn tuotto, eli vastaavasti todellisessa tilanteessa pölyä tuottava työvaihe, on lopetettu. Aikaisempien tutkimustulosten perusteella tämän Pro Gradu -tutkielman laboratoriokokeiden hypoteesina oli, että vesisumu nopeuttaisi merkittävästi pölypitoisuustasojen alenemista huonetilassa työvaiheen jälkeen ja tehostaisi näin ollen huoneilman puhdistumista pölystä. Lisäksi tutkimuksen tarkoituksena oli arvioida ilman suhteellisen kosteuden vaihtelua ja veden kastelevaa vaikutusta materiaaleihin tutkittavassa tilassa. Hengittyvän pölyn sekä PM10- ja PM2,5 -hiukkaspitoisuuksien alenemista tutkittiin ajallisen vaihtelun suhteen kuiva- ja märkäkokeilla. Hengitettävien hiukkasten (PM10) pitoisuuden alenemista tarkasteltiin pitoisuuden ja ajan funktiona, josta laskennallisesti määritettiin puhtaan ilman tuotto.

17 4 AINEISTO JA MENETELMÄT 4.1 KOEASETELMA Tutkimuksen laboratoriokokeet suoritettiin kuiva- ja märkäkokeiden vertailupareina. Kuivakokeissa ei käytetty vesisumutusta ja märkäkokeissa testihuoneeseen sumutettiin tislattua vettä pölyn tuoton päättymisen jälkeen. Tislattua vettä käytettiin, jotta minimoitiin mahdollisesti hanavedessä esiintyvien partikkelien aiheuttama virhelähde optisessa hiukkasmittaamisessa. Vesisumutuslaitteena käytettiin jo markkinoilla olevaa MicroJet Fogger sumutuslaitetta (B&G Equipment). Testihuoneen ilmanvaihtuvuus määritettiin merkkiaineen alenemamenetelmällä, jossa tilaan vapautettiin kaasumaista merkkiainetta R134-a (1,1,1,2-Tetrafluorietaani). Merkkiaineen pitoisuutta mitattiin INNOVA 1412 Photoacoustic field gas monitorilla ja käyttäen INNOVA 1303 Multipoint Sampler & Doser näytteenkeräysosaa (LumaSense Technologies). Kuivakokeet tehtiin kahdessa koesarjassa. Ensimmäinen kuivakoesarja (n=3) tehtiin ilman kuivasumutusta. Toisessa kuivakoesarjassa (n=3) käytettiin niin sanottua kuivasumutusta, jossa vesisumutuslaitteella puhallettiin pelkkää ilmaa vastaava aika kuin märkäkokeissakin vedellä samankaltaisen ilman sekoittumisen saavuttamiseksi. Märkäkokeita tehtiin kolme koesarjaa. Koesarjoissa oli kolme laboratoriokoetta, lukuun ottamatta viimeisintä koesarjaa, jossa laboratoriokokeita tehtiin vain kaksi. Kahdessa märkäkoesarjassa käytettiin kahden minuutin vesisumutusta ja kolmannessa koesarjassa sumutusaika oli neljä minuuttia. Vesisumutuslaitteiston syöttämän veden määrää ja pisarakokoa pystyttiin säätelemään laitteen neulaventtiilin asentoa muuttamalla. Tässä tutkimuksessa vesisumutuslaitteiston neulaventtiilin säädöt pidettiin samana kaikissa kokeissa samana (4 kierrosta auki). Sumutuslaitteiston käyttöohjeiden mukaan vesipisaroiden koko on noin 20 60 µm, mutta sitä ei varmennettu. Kokeet toteutettiin Itä-Suomen yliopiston Kuopion kampuksella sijaitsevassa Kukkolarakennuksessa, josta yksi toimistotila muutettiin testihuoneeksi. Huoneen tilavuus oli 27 m 3. Testihuoneen tuloilmakanava suljettiin kokeiden suorittamisen ajaksi ja poistoilmaventtiiliä säädettiin siten, että testihuone saatiin lievästi alipaineiseksi ympäröiviin tiloihin nähden (noin

18-0,5 Pa), jotta pölyn leviäminen laboratoriotilan ulkopuolelle saatiin estettyä. Korvausilma tuli huoneeseen oven kynnysraosta. Testihuoneeseen tuotettiin harjageneraattorin avulla rakennuspölypitoisuuksia ja hiukkasten kokojakaumaa vastaava pitoisuus. Generoitava pöly oli eristetty lattian hiontakoneen kohdepoistoimurin pölysäiliöstä. Pöly siivilöitiin ruostumattomalla teräksisellä Mesh-siivilällä, jotta isoimmat rakeet eivät tukkisi generaattoria ja ilmaan tuotettava pöly olisi mahdollisimman tasalaatuista eri kokeissa. Harjageneraattorin (Palas RBG 1000, Palas) syöttönopeus oli jokaisessa kokeessa 20 mm/h ja tavoitepitoisuustaso (PM10) noin 20 mg/m 3. Pölyä syötettiin kussakin kokeessa noin 40 minuuttia todellisia rakennustyövaiheita vastaavan pölyhiukkaspitoisuuden saavuttamiseksi. Huoneilmaa sekoitettiin kokeiden ajan pöytätuulettimella ilman tasaisen sekoittumisen takaamiseksi. Kuvassa 3 testihuoneen pohjapiirrokseen on merkitty pölygeneraattorin, pöytätuulettimen ja mittauspisteiden sijainti sekä poistoilmaventtiili. Kuva 3. Testihuoneen pohjapiirros. A = pölyntuottamiseen käytetty generaattori, jonka viereen sijoitettu pöytätuuletin ilman sekoittamiseksi, B ja C = kiinteät mittauspisteet, jossa hengittyvän pölyn pitoisuutta mitattiin IOM-keräimillä, D = Dustrak DRX, suoraanosoittava hiukkasmittauslaite, E = poistoilmaventtiili. Taulukossa 1 on esitetty koesarjat, kussakin koesarjassa toteutetun kuiva- tai vesisumutuksen kesto sekä kussakin koesarjassa käytetyn veden määrä kyseisen sarjan kokeiden keskiarvona.

19 Taulukko 1. Koesarjat, sumutuksen kesto ja käytetyn veden määrä kunkin koesarjan kokeiden keskiarvona esitettynä. Koesarja Kuiva- tai Kokeiden Keskimääräinen vesisumutuksen kesto määrä vedenkulutus (dl) (min) Kuivakoesarja 1 3 2 Kuivakoesarja 2 3 2 Märkäkoesarja 1 3 2 4,6 Märkäkoesarja 2 3 2 3,9 Märkäkoesarja 3 2 4 9,2 Kaikkiin 2 minuutin kuiva- tai vesisumutuskokeisiin kuului kolme yksittäistä laboratoriokoetta. Kuivakoesarjaan 1 ei käytetty ollenkaan kuivasumutusta, vaan pölyn tuoton päättymisen jälkeen pölyn annettiin laskeutua itsestään ja alenemaa mitattiin samoin kuin muissakin kokeissa. Kuivakoesarjassa 2 vesisumutuslaitetta käyttäen sumutettiin 2 minuuttia ilmaa vastaavasti kuin 2 minuutin märkäkoesarjassa 1 ja 2. Märkäkoesarjaan 3 kuului kaksi erillistä koetta, joissa molemmissa vesisumutuksen kesto oli 4 minuuttia. 4.2 OLOSUHDEMITTAUKSET Testihuoneen ilman suhteellista kosteutta (RH), lämpötilaa ja paine-eroa (dataa ei esitetty tuloksissa) mitattiin jatkuvatoimisesti (Hobo U12-013) 10 sekunnin välein. Lisäksi havainnoitiin aistinvaraisesti vesisumutuksen aiheuttamaa kosteuskuormaa mittaustilassa. 4.3 HIUKKASMITTAUKSET Ilmanäytteiden mittausmenetelmiä valittaessa huomioitavia seikkoja ovat näytteen pitoisuus ja hiukkasten kokojakauma tutkittavan tilan keräysilmassa. Lisäksi on kiinnitettävä huomiota näytteenoton kestoon ja näytteiden säilyvyyteen sekä säilytykseen (Christian 1994). Yleisesti

20 rakennustyömaa-alueilla pölynalenemaa ja pölylle altistumista on tutkittu lyhytkestoisin näytteenkeräysajoin (Thorpe ym. 1999, Flanagan ym. 2003). Kuvissa 4 ja 5 on esillä valokuvat mittausjärjestelyistä. PM10-hiukkasten massapitoisuutta seurattiin jatkuvatoimisesti TSI Dustrak DRX8533 -hiukkasmittarilla, joka sijoitettiin huoneen keskelle pöytätasolle (Kuvat 3-5). Suoraanosoittavaan hiukkasmittariin kiinnitettiin myös näyteilman kuivausyksikkö (TSI Diffusion Dryer 3062) minimoimaan vesisumutuksen aiheuttamaa optista mittausvirhettä. Hengittyvän pölyn pitoisuutta mitattiin kahdesta mittauspisteestä IOM-keräimillä, jotka sijoitettiin hengitysvyöhykettä vastaavalle korkeudelle eri puolille testihuonetta (Kuva 3 ja 5). Näytteet otettiin pölyn tuoton aikana tavoitepitoisuuden (tuloksissa tasapainopitoisuus) saavutettua (3 minuutin näyte) ja pölyn tuoton päättymisen jälkeen pölypitoisuuden aleneman eri vaiheissa. Aikapiste 0 min on hetki, jolloin kuiva- tai vesisumutus on aloitettu. Aleneman aikaisten mittausten aikapisteet olivat seuraavan laiset: alenema 1: 3 6 min; alenema 2: 8 13 min; alenema 3: 18 23 min; alenema 4: 30 40 min. Kokeissa kumpikin keräin kiinnitettiin letkulla pumppuihin, joiden tilavuusvirraksi kalibroitiin 2 l/min. Näytteet analysoitiin gravimetrisesti. IOM-keräinten sisälle asetettiin ennen näytteenottoa punnittu suodatinkasetti, jonka sisällä oli halkaisijaltaan 25 millimetrinen, huokoskooltaan 0,8 µm selluloosaasetaattisuodatin. Ennen ja jälkeen näytteenoton IOM-keräimien keräyskasetit suodattimineen vakioitiin vuorokauden ajan kontrolloiduissa oloissa punnitushuoneessa. Märkäkokeissa kerätyt näytteet sijoitettiin ensin yhdeksi vuorokaudeksi eksikaattoriin kuivumaan ja toiseksi vuorokaudeksi vakioitumaan.

21 Kuva 4. Testihuone, jossa etualalla Dustrak-hiukkasmittauslaite ja vastakkaisella pöydällä pölyntuottoon käytetty laitteisto. Kuva 5. Pölyntuottolaitteistosta tuleva letku, joka syötti pölyä hengitysvyöhykkeelle testihuoneen ilmaan. Kuvassa näkyvät myös telineet, joihin kiinnitettiin IOM-keräimet.

22 4.4 VESISUMUTUKSEN PUHDISTUSTEHOKKUUS Pölyn alenema määritettiin vesisumutuksen ajalle sovittamalla regressiosuora logaritmisiin PM10 ja PM2,5 hiukkaspitoisuuksiin kussakin kokeessa. Kummankin pölyjakeen hiukkaspitoisuuksille saadut suoran kulmakertoimet kuvaavat kyseisen pölyhiukkasjakeen pölyn alenemaa. Hengittyvän pölyjakeen osalta määritettiin samalla tavalla suoran kulmakertoimet logaritmisiin pölypitoisuuksiin. Kuivakokeiden osalta alenema määritettiin mittausajalta 0 35 min (tasapainotilasta viimeiseen alenemanäytteeseen) ja märkäkokeissa vesisumutuksen aikava lilta 0 4,5 min (tasapainotilasta ensimmäiseen alenemanäytteeseen). Puhtaan ilman tuotto on suure käytetyn ilmanpuhdistusmenetelmän tehokkuudesta eli tässä tapauksessa vesisumutuksen tehokkuudesta alentaa pitoisuustasoja. Vesisumutussuihkun puhdistustehokkuutta voidaan tarkastella tehollisena puhtaan ilman tuottona (CADR = Clean air delivery rate), mikä tarkoittaa puhdasta ilmavirtaa, jonka puhdistusvaikutus vastaa tarkasteltavan menetelmän aikaansaamaa puhdistusvaikutusta. Puhtaan ilman tuottoa kuvaa yhtälö CADR = V(ke kn) 1000/3600, (3) Yhtälössä V tarkoittaa testihuoneen tilavuutta (m 3 ), ke pölypitoisuuden alenemaa (l/h) ja kn tyhjän huoneen pölypitoisuuden alenemaa (l/h) (Hak-Joon ym. 2012). Tässä tutkimuksessa tyhjän huoneen pölypitoisuuden alenema (l/h) tarkoittaa testihuoneen tilan ilmanvaihtokerrointa, joka on määritetty merkkiainepitoisuuden aleneman avulla. Puhtaan ilman tuotto kertoo vesisumutuksen tehokkuudesta suhteessa syötettyyn vesimäärään. Vesisumulla tehdyn puhdistuksen tehokkuuden arviointiin tarvitaan tiedot syötetystä vesimäärästä, ilman tilavuusvirrasta ja menetelmän puhtaan ilman tuotto (Enbom ym. 1996, Heinonen ym. 2004).

23 5 TULOKSET 5.1 OLOSUHTEET 5.1.1 Ilman suhteellinen kosteus ja lämpötila Kuivakokeiden olosuhdedata osoitti (data ei esitetty), että ilman suhteellinen kosteus oli keskimäärin 36 % ja pysyi samana koko kokeen ajan, sillä tilaan ei tuotu ylimääräistä kosteutta muualta. Lämpötila pysyi kaikissa kuivakokeissa 19 20 C vastaten normaalia sisäilman lämpötilaa. Märkäkokeissa tutkittavassa tilassa vallitsi ennen vesisumutusta myös tavanomainen sisäilman lämpötila, noin 19 20 C. Märkäkoesarjoissa tilaan tuodun kosteuskuorman seurauksena lämpötilan vaihtelut olivat kuitenkin selkeästi nähtävissä verrattuna kuivakoesarjoihin. Tutkittavaan tilan lämpötila laski keskimäärin 1 1,5 C sen jälkeen, kun 2 tai 4 minuutin vesisumutus oli lopetettu. Ilman suhteellinen kosteus ja lämpötila on esitetty märkäkokeiden osalta alkaen aikapisteestä 0, jolloin vesisumutus on aloitettu ja pölypitoisuuden alenemaa on alettu mitata. Ilman suhteellinen kosteus ajanhetkellä 0 minuuttia, jolloin vesisumutus aloitettiin, vaihteli kussakin märkäkokeessa 32 38 %. Vesisumutuksen päätyttyä 2 tai 4 minuutin kuluttua ilman suhteellinen kosteus oli korkeimmillaan. 4 minuutin vesisumutuskokeissa ilman suhteellinen kosteus oli korkeimmillaan 84 %. 2 minuutin vesisumutus nosti ilman suhteellisen kosteuden korkeimmillaan 76 %:iin. Kuvissa 6 ja 7 on esitetty keskiarvot 2 ja 4 minuutin vesisumutuskokeista ja taustalla näkyvät vaaleammalla myös yksittäisten kokeiden aikaiset olosuhteet ilman suhteellisen kosteuden ja lämpötilan osalta.

RH (%) 24 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Vesisumutuksen vaikutus ilmankosteuteen 0 10 20 30 40 Aika (min) 2 min ka. 4 min ka. Kuva 6. Vesisumutuksen vaikutus ilman suhteelliseen kosteuteen (RH %) 2 ja 4 minuutin vesisumutuskokeissa ajan suhteen keskiarvona esitettynä. Kuvassa taustalla vaaleammalla näkyvät yksittäisten vesisumutuskokeiden ilman kosteuden vaihtelut. Ilman suhteellinen kosteus vaihteli jonkin verran 2 minuutin vesisumutuskokeiden välillä. Vastaava vaihtelu oli pienempää 4 minuutin vesisumutuskokeiden välillä. Laboratoriotilan pinnoille, kuten pöytätasoille ja lattialle, kohdistuva kosteuskuorma oli huomattavasti suurempi 4 minuutin vesisumutuksen seurauksena, jolloin voitiin huomata, että huoneen pöytä- ja lattiatasot olivat selkeästi märät ja pysyivät märkinä kokeiden päättymiseen saakka. Vesisumutuksen vaikutus tutkittavan tilan lämpötilaan on esitetty kuvassa 7. Tutkittavan tilan lämpötila ajanhetkellä 0 min vaihteli yksittäisissä kokeissa noin 18,7 20,4 asteen välillä. Lämpötilojen keskiarvot 2 minuutin ja 4 minuutin vesisumutuskokeissa eivät kuitenkaan poikenneet merkittävästi toisistaan. Kummassakin märkäkoeasetelmassa tutkittavan tilan lämpötila laski hieman vesisumutuksen päätyttyä, mutta lähti nousemaan tasaisemmin 10 minuutin kuluessa vesisumutuksen päättymisestä.

Lämpötila (ºC) 25 20.5 Vesisumutuksen vaikutus lämpötilaan 20.0 19.5 19.0 18.5 18.0 17.5 17.0 0 10 20 Aika (min) 30 40 2 min ka. 4 min ka. Kuva 7. Vesisumutuksen vaikutus lämpötilaan ajan suhteen 2 ja 4 minuutin vesisumutuskokeissa keskiarvona esitettynä. Kuvassa taustalla vaaleammalla näkyvät yksittäisten vesisumutuskokeiden lämpötilan vaihtelut. 5.2 HENGITTYVÄ PÖLY Pölypitoisuuden alentuminen on esitetty todellisten pölypitoisuuksien (mg/m 3 ) keskiarvona kuiva- ja märkäkokeissa taulukossa 2. Taulukossa 2 on myös esitetty tasapainotilanteen pölypitoisuus. Aikapisteet on esitetty puolen minuutin tarkkuudella tarkoittaen ko. näyteaikapisteen puoliväliä. Näytteenkeräysajat olivat 3, 5 ja 10 minuuttia riippuen aikapisteestä. Tasapainotilanteen hiukkaspitoisuus vaihteli kaikkien yksittäisten kokeiden välillä 8,2 24 mg/m 3. Viimeisten alenemanäytteiden todelliset pölypitoisuudet olivat alhaisimmat 4 minuutin vesisumutuskokeissa lukuun ottamatta yhtä 2 minuutin vesisumutuskoetta, jossa aikapisteessä 35 min otetun alenemanäytteen pitoisuus oli 0,5 mg/m 3.

26 Taulukko 2. Pölypitoisuudet (mg/m 3 ) kuiva- ja märkäkokeissa näytteen keräyspisteiden pitoisuuksien keskiarvona (vaihteluväli) esitettynä. Aikapiste Tasapainotilanne 1.Alenema 2.Alenema 3.Alenema 4.Alenema 0 min 4,5 min 10,5 min 20,5 min 35 min Kuivakokeet 15,5 (11 24,3) 10,7 (6,7 14,2) 7,4 (5,4 10,9) 5,5 (3,2 7,5) 3,0 (1,4 3,6) Märkäkokeet, 15,2 7,3 5,1 4,0 2,5 2min vesisumutus (10,5 17,8) (2,1 11,4) (2,1 11,4) (1,3 8,4) (0,5 4,3) Märkäkokeet, 9,5 2,8 1,2 1,4 0,8 4min vesisumutus (8,2 10,7) (0,4 5,1) (0,3 2,0) (0,2 2,6) (3 1,2) Kuvassa 8 on esitetty vesisumutuksen vaikutus hengittyvän pölyn hiukkaspitoisuuksien alenemaan kuiva- ja märkäkoesarjoissa kaikkien yksittäisten kokeiden keskiarvona. Ilmanvaihtokertoimet olivat 4 minuutin vesisumutuskokeissa 0,4 1/h. Molemmissa 2 minuutin vesisumutuskoesarjassa sumutetun veden määrä vaihteli yksittäisten kokeiden välillä 3,4 5,9 dl. Molempien 2 minuutin vesisumutuskoesarjan ilmanvaihtokertoimet olivat keskiarvoltaan ensimmäisessä koesarjassa 0,3 ja toisessa 0,4 1/h.

Pölyn alenema (1/h) 27 50 Hengittyvän pölyn alenema 40 30 20 10 0 Kuivakokeet Märkäkoe 2 min Märkäkoe 4 min Kuva 8. Vesisumutuksen vaikutus pölypitoisuuksien alenemaan kuiva- ja märkäkoesarjoissa. Kuvassa on esitetty kaikkien mittausten pölyn alenemien keskiarvot ja SEM-arvot (Standard Error of Mean). Kuivakokeiden alenema on määritetty koko mittausajalta 0 35 min ja märkäkokeissa vesisumutuksen aikaväliltä 0 4,5 min. 5.3 PM10 JA PM2,5 Joidenkin kokeiden mittaustuloksissa havaittiin häiriöitä Dustrak- mittauslaitteen toiminnasta johtuen. Näin ollen vesisumutuksen vaikutusta pölypitoisuuteen tarkastellaan ainoastaan niiden kuiva- ja märkäkokeiden osalta, joiden mittausdata eri pölyjakeiden mittaamisen osalta oli onnistunut. Vesisumutuksen vaikutus pölypitoisuuteen on esitetty kokeittain siten, että kuivakokeita on yhteensä 2 kpl, ilman kuivasumutusta ja kuivasumutuksen kanssa, 2 minuutin vesisumutuskokeita 3 kpl, jotka on esitetty tuloksissa märkäkoe 1, 2 ja 3 ja 4 minuutin vesisumutuskokeita 2 kpl, jotka on nimetty edelleen märkäkoe 1 ja 2. Kuvissa 9 11 on esitetty kokeittain todellisen pölypitoisuuden (mg/m 3 ) aleneminen ajan funktiona (min), kun pölyn tuotto tilaan on lopetettu ajanhetkellä 0 min. Yleisesti ottaen PM10-hiukkaspitoisuus aleni kaikissa kokeissa hieman nopeammin vesisumutuksen vaikutuksesta verrattuna PM2,5- pitoisuuteen. Kuvassa 9 on esitetty kuivakokeen pölyn alenema, kun pölyntuotto tutkittavaan tilaan lopetettiin ajanhetkellä 0 minuuttia ja pölypitoisuuksien annettiin laskeutua luonnollisesti. Kuivakokeissa hiukkasjakeiden PM2,5 ja PM10 pitoisuudet laskivat maltillisesti heti

Hiukkaspitoisuus (mg(m 3 ) Hiukkaspitoisuus (mg/m 3 ) 28 pölyntuoton päätyttyä ajanhetkellä 0 min. Kuivakokeessa ilman kuivasumutusta PM10- hiukkaspitoisuudessa on hetkellinen korkeampi pitoisuus hieman ennen pölyntuoton lopettamista. A Kuivakoe 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00-45.00-30.00-15.00 0.00 15.00 30.00 45.00 PM2,5 PM10 B 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 Kuivakoe + 2 min kuivasumutus 0.00-45.00-30.00-15.00 0.00 15.00 30.00 45.00 PM2,5 PM10 Kuva 9. Kuivakokeen pölypitoisuuden aleneminen PM2,5 ja PM10- hiukkasjakeille ilman kuivasumutusta (A) sekä kuivasumutuksen kanssa (B). Ajanhetkellä 0 min pölynpitoisuus on saavuttanut tavoitepitoisuustason ja pölyn tuotto tilaan on lopetettu. Ajanhetkellä 0 min aloitettiin 2 minuutin kuivasumutus (B). Kuvassa 10 on esitetty 2 minuutin vesisumutuskokeiden pölypitoisuuksien alenemat. Hiukkaspitoisuuksien aleneminen oli tehokkainta vesisumutuksen aikana ajanhetkenä 0 2 min. 2 minuutin märkäkokeissa molempien PM2,5 ja PM10 hiukkasjakeiden pitoisuudet alenivat lähes yhtä tehokkaasti vesisumutuksen aikana ja vesisumutuksen päättymisen jälkeen hiukkaspitoisuudet jatkoivat luonnollista alenemista, kuten kuivakokeissa.

Hiukkaspitoisuus (mg/m 3 ) Hiukkaspitoisuus (mg/mg 3 ) Hiukkaspitoisuus (mg/mg 3 ) 29 A 25.00 Märkäkoe 1, 2 min vesisumutus 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00-45.00-30.00-15.00 0.00 15.00 30.00 45.00 PM2,5 PM10 B Märkäkoe 2, 2 min vesisumutus 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00-45.00-30.00-15.00 0.00 15.00 30.00 45.00 PM2,5 PM10 C Märkäkoe 3, 2 min vesisumutus 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00-45.00-30.00-15.00 0.00 15.00 30.00 45.00 PM2,5 PM10 Kuva 10. Vesisumutuskokeen 1, 2 ja 3 hiukkaspitoisuuden aleneminen PM2,5 ja PM10- hiukkasjakeille. Ajanhetkellä 0 min aloitettiin 2 minuutin vesisumutus.

30 Kuvassa 11 on esitetty 4 minuutin vesisumutuskokeiden hiukkaspitoisuuksien alenemakuvaajat hiukkasjakeiden PM2,5 ja PM10 osalta. Molempien hiukkasjakeiden pitoisuuksissa on hetkelliset, korkeat pitoisuuden nousut ajanhetkellä 0 min, kun vesisumutus on alkanut. Pölyn aleneman pitoisuudet näyttävät lähteneen alenemaan jo ennen vesisumutuksen aloittamista. Syynä pitoisuuksien ennenaikaiseen alenemaan ja molempien hiukkasjakeiden hetkellisiin korkeisiin pitoisuuksiin vesisumutuksen alkaessa saattaa olla Dustrak-mittalaitteeseen joutunut isompi hiukkasklusteri, joka on aiheuttanut mittalaitteen kammion tukkeutumisen tai muu mittalaitteen toimintahäiriö. Vesisumutuksen jälkeen molempien hiukkasjakeiden pitoisuudet alenivat hiljalleen luonnollisen laskeuman kautta vesisumutuksen puhdistusvaikutuksen lakattua. Pölypitoisuus tutkittavassa tilassa 45 minuutin aikapisteessä laski samalle lähtötasolle kuin pölyntuoton alkaessa.

Hiukkaspitoisuus (mg/m3) Hiukkaspitoisuus (mg/m 3 ) 31 A 20.00 Märkäkoe 1, 4 min vesisumutus 15.00 10.00 5.00 0.00-45.00-30.00-15.00 0.00 15.00 30.00 45.00 PM2,5 PM10 B 15.00 Märkäkoe 2, 4 min vesisumutus 10.00 5.00 0.00-45.00-30.00-15.00 0.00 15.00 30.00 45.00 PM2,5 PM10 Kuva 11. 4 minuutin vesisumutuskokeiden 1 ja 2 hiukkaspitoisuuden aleneminen PM2,5 ja PM10- hiukkasjakeille. Ajanhetkellä 0 min on aloitettu 4 minuutin vesisumutus. Pölyn alenema on esitetty kokeittain taulukossa 3. Pölyn alenema oli tehokkainta 4 minuutin vesisumutuskokeissa erityisesti PM10-hiukkaspitoisuuden alenemisen osalta. 2 minuutin vesisumutus oli myös tehokkaampaa alentamaan pölypitoisuuksia verrattuna kuivakokeisiin. Kuivakoesarjojen välillä ei havaittu merkittäviä huomattavia eroja sen osalta, käytettiinkö 2 minuutin kuivasumutusta vai ei.

32 Taulukko 3. Pölyn alenema (1/h) tarkasteltaville laboratoriokokeille ja eri hiukkasjakeille. Pölyn alenema (1/h) Koe PM2,5 PM10 Kuivakoe 2,5 2,9 Kuivakoe + kuivasumutus 3,0 3,4 Märkäkoe 1, 2 min vesisumutus 8,2 10,2 Märkäkoe 2, 2 min vesisumutus 7,3 9,6 Märkäkoe 3, 2 min vesisumutus 8,3 11,8 Märkäkoe 1, 4 min vesisumutus 10,8 14,6 Märkäkoe 2, 4 min vesisumutus 10,5 15,4 Taulukosta 3 nähdään, että 4 minuutin vesisumutus alensi tilan pölypitoisuutta pienhiukkaspitoisuuden (PM2,5) osalta keskimäärin neljä kertaa nopeammin ja tehokkaammin verrattuna kuivakokeiden pienhiukkaspitoisuuksien alenemaan. Hengitettävän pölyn hiukkaspitoisuus (PM10) aleni vastaavasti 4 minuutin vesisumutuskokeissa keskimäärin noin viisi kertaa tehokkaammin. 5.4 PUHTAAN ILMAN TUOTTO Puhtaan ilman tuotto PM10-hiukkaspitoisuuksien suhteen on esitetty keskiarvoina molemmista 2 ja 4 minuutin vesisumutuskoesarjoista kuvassa 12. 4 minuutin vesisumutuksella saavutettiin noin kolmasosan suurempi puhtaan ilman tuotto verrattuna 2 minuutin vesisumutukseen. 4 minuutin vesisumutuskokeissa tilaan sumutetun veden määrä oli ensimmäisessä kokeessa 9,6 dl ja toisessa kokeessa 8,9 dl.

CADR (m 3 /litraa vettä) 33 30 Puhtaan ilman tuotto (PM10) 25 20 15 10 5 0 Märkäkoe 2 min Märkäkoe 4 min Kuva 12. Keskimääräinen puhtaan ilman tuotto märkäkokeissa (CADR = Clean Air Delivery Rate, m 3 ilmaa/litraa vettä) ja SEM.

34 6 TULOSTEN TARKASTELU 6.1 OLOSUHTEET Testihuoneen lämpötilat kunkin kokeen alussa olivat samalla tasolla. Vesisumutuksen kestolla ei myöskään havaittu olevan vaikutusta lämpötilan muutoksen suuruuteen. Näin ollen fysikaalisista, hiukkasdepositioon vaikuttavista ilmiöistä termoforeesin vaikutusta tutkittavassa tilassa voidaan pitää merkityksettömänä. Tilaan kohdistunut kosteuskuorma oli luonnollisesti suurempi 4 minuutin vesisumutuskokeissa verrattuna 2 minuutin vesisumutuskokeisiin. Käytetyn veden tilavuusvirta kokeiden keskiarvona 2 minuutin vesisumutuskokeissa oli 2,1 dl/min. 4 minuutin vesisumutuksessa veden tilavuusvirta oli 2,3 dl/min. 4 minuutin vesisumutus kasteli tutkittavan tilan lattia- ja pöytäpinnat silmin nähden märäksi koko kokeen ajaksi, kun taas 2 minuutin vesisumutus jätti pinnat lähinnä kosteiksi. Veden käyttöön liittyvät riskit on tiedostettu useissa tutkimuksissa (mm. Croteau, Flanagan ym. 2004). Perinteisistä märkämenetelmistä aiheutuva pintojen kastuminen lisää työntekijöiden työturvallisuusriskejä, kuten esimerkiksi liukastumis- ja sähköiskujen vaaraa. Veden käyttö (suuret käyttömäärät) työvaiheiden aikana voi myös olla haitallista rakennusmateriaaleille aiheuttaen värjäytymiä materiaaleihin ja rakennevaurioita. Tämän tutkimuksen lyhytaikaisen vesisumutuksen seurauksena ei visuaalisesti tarkasteltuna tutkittavaan tilaan aiheutunut haitallista kosteuskuormaa. Mikäli olisi käytetty pidempiä vesisumutusaikoja, pintamateriaalien kostumista tulisi tutkia tarkemmin. Siten voitaisiin maksimoida vesisumutusmenetelmän tehokkuus puhdistaa huoneilmaa aiheuttamatta haitallista materiaalien kostumista. 6.2 PÖLYN ALENEMA Korkeimpia hiukkaspitoisuuksia synnyttäviä työvaiheita rakennustyömaalla ovat erilaiset kiventyöstämiseen liittyvät työtehtävät, kuten muuraus, piikkaus- ja hiontatyöt (Akbar- Khanzadeh ym. 2001, Flanagan ym. 2006, Shepherd ym. 2009). Kussakin kokeessa tutkittavaan tilaan tuotettu tasapainotilanteen pölypitoisuus vastasi todellisia rakennustyövaiheen pölypitoisuuksia. Tasapainotilanteiden pölypitoisuudet kuitenkin vaihtelivat kokeiden välillä melko paljon. Korkein tasapainotilanteen pölypitoisuus saavutettiin kuivakokeessa, jolloin