[PDF]    http://dx.doi.org/10.3952/physics.v55i2.3105

Open access article / Atviros prieigos straipsnis

Lith. J. Phys. 55, 142152 (2015)


DENSITY ASSESSMENT METHOD OF CHEMICAL COMPONENTS IN URBAN SUBMICRON AEROSOL PARTICLES
Jonas Šakalys, Darius Valiulis, Ernesta Meinorė, Vadimas Dudoitis, Kęstutis Kvietkus, and Vidmantas Ulevičius
State Research Institute Center for Physical Sciences and Technology, Savanorių 231, LT-02300 Vilnius, Lithuania
E-mail: ernesta.pesliakaite@gmail.com

Received 22 December 2014; revised 25 February 2015; accepted 20 March 2015

During the analysis of aerosol particle density variation in urban environment it was noticed that a Quadrupole Aerosol Mass Spectrometer (Q-AMS) and a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) indicated the particle diameter differently. Measurements presented in this paper were conducted in Šiauliai town from 15 March to 27 March 2012. Size distribution and concentration spectra for non-refractory submicron aerosol particles (PM1) of NH4+, NO3, SO42– and organics were obtained by using Q-AMS and SMPS. The organic particles with a diameter of up to 100 nm were selected for the analysis due to the considerable influence of traffic emission on the sampling site. The major formation of particles in the range of up to 100 nm occurs from pollutants of traffic emissions. It was observed that the density of organic aerosol particles in the range up to 100 nm was relatively too high if compared with the density sum of all components in the range above 100 nm (less than 1 g cm–3). This observation was opposite to the result that was expected. The latter results imply incorrectness for direct interpretation of the data obtained from Q-AMS and SMPS. Therefore, the method for evaluation of particle diameters provided by Q-AMS and SMPS is discussed in this paper.
Keywords: Q-AMS, SMPS, aerosol mass spectrometry, PM1 aerosol particles, density
PACS: 92.60.h-, 92.60.Mt, 92.60.Sz, 92.90.+x

MIESTO SUBMIKRONINĖS FRAKCIJOS AEROZOLIO DALELIŲ CHEMINIŲ KOMPONENČIŲ TANKIO ĮVERTINIMO METODAS

Jonas Šakalys, Darius Valiulis, Ernesta Meinorė, Vadimas Dudoitis, Kęstutis Kvietkus, Vidmantas Ulevičius
Fizinių ir technologijos mokslų centro Fizikos institutas, Vilnius, Lietuva

Miestuose vienas iš pagrindinių aerozolio dalelių šaltinių yra transportas. Formuojantis aerozolio dalelėms, vienas iš svarbiausių jų parametrų – dalelių tankis. Aerozolio dalelių formavimosi mechanizmams paaiškinti reikalingi kompleksiniai eksperimentai ir jų metu gautų duomenų apibendrinimai. Šiaulių mieste 2012 m. kovo mėn. 15–27 d. buvo atliekami aerozolio dalelių, mažesnių nei 1 μm, cheminės sudėties ir skaitinės koncentracijos pasiskirstymo pagal dalelių dydžius matavimai. Matavimai atlikti kvadrupoliniu aerozolių masės spektrometru (Q-AMS) ir dalelių judrumo skenavimo sistema (SMPS).
Nuo eksperimento pradžios iki kovo mėn. 19 d. 18 val. būdinga didesnė NH4+, NO3, SO42– koncentracija, todėl visas eksperimento laikotarpis suskirstytas į trumpąjį ir ilgąjį periodus (iki ir po kovo mėn. 19 d. 18 val.). Pirmajam periodui būdinga oro masių pernaša, praeinanti virš pramoninių šiaurės Europos šalių, o likusiam periodui jau būdingos santykinai švarios oro masės iš šiaurės ir šiaurės vakarų dalies. Eksperimento duomenys kiekvienam periodui buvo suskirstyti pagal laikus: naktinį (nuo 21 val. iki 3 val.), kai transporto eismas yra mažiausias, ir dieninį (nuo 6 val. iki 21 val.), kai transporto eismas yra intensyviausias. Tokiu būdu visi matavimų duomenys buvo suskirstyti į keturias grupes, o kiekvienos grupės duomenys suvidurkinti.
Aerozolio dalelės, kurias Q-AMS priima kaip vienodas, sieja sąlyga ρD = const, kai SMPS pateikia tikruosius dalelių dydžius. Naudojantis literatūroje pateiktomis atskirų komponenčių tankių vertėmis, iš Q-AMS duomenų buvo apskaičiuoti atstojamieji dalelių tankiai ir pagal juos pakoreguoti dalelių skersmenys. Panaudojus SMPS ir koreguotus Q-AMS duomenis, suskaičiuoti cheminių komponenčių tankiai aerozolio dalelėse. Kadangi Q-AMS elementinės anglies (EC) nematuoja, tai galimas jos įnašas buvo įvertintas remiantis literatūros duomenimis. Toliau buvo pasirinkti du variantai – kai aerozolio dalelių masę sudaro tik organinės medžiagos ir organinės medžiagos kartu su EC. Nustatytos cheminių komponenčių tankių sumos neatitiko anksčiau apskaičiuotų atstojamųjų tankių. Šiam neatitikimui išaiškinti buvo išanalizuoti ilgojo periodo dalelių dydžio iki 100 nm dieniniai matavimo duomenys. Pasirinkimą lėmė tai, kad šiame dalelių dydžių intervale vyksta dalelių formavimasis, dalelės yra hidrofobinės, dominuoja organinės medžiagos, o likusios cheminės komponentės sudaro nežymią dalį. Taip sumodeliuotas aerozolio dalelių pasiskirstymas pagal jų tankį ir dydį dalelių tankio ir dydžių diagramos (ρ, D) lauke. Varijuojant tankio medianines vertes ir standartinio nuokrypio pasiskirstymo pagal dalelių dydį parametrus, gautas eksperimentinių Q-AMS išmatuotų duomenų sutapimas su modeliavimo duomenimis. Modeliavimo rezultatai parodė, kad miesto atmosferoje, esant intensyviam transporto eismui, besiformuojančios vienodo dydžio dalelės turi skirtingus tankius. Tai rodo, kad besiformuojančios dalelės yra porėtos struktūros. Aerozolio dalelių, mažesnių nei 100 nm, tankis yra mažesnis už 1 g cm–3. Tankio medianinė vertė mažėja ir standartinis tankio nuokrypis didėja mažėjant dalelių skersmeniui. Derinant Q-AMS ir SMPS sistema gautus duomenis tikslinga pasinaudoti dalelių kiekių pasiskirstymo modeliavimu dalelių dydžių ir tankio diagramoje.

References / Nuorodos

[1] D.W. Dockery and C.A. Pope, Acute respiratory effects of particulate air-pollution, Annu. Rev. Publ. Health 15, 107–132 (1994),
http://dx.doi.org/10.1146/annurev.pu.15.050194.000543
[2] J. Ovadnevaitė, K. Kvietkus, and A. Maršalka, 2002 summer fires in Lithuania: Impact on the Vilnius city air quality and the inhabitants health, Sci. Total Environ. 356(1–3), 11–21 (2006),
http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.04.013
[3] C.A. Pope and D.W. Dockery, Health effects of fine particulate air pollution: Lines that connect, J. Air Waste Manag. Assoc. 56, 709–742 (2006),
http://dx.doi.org/10.1080/10473289.2006.10464485
[4] S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor, and H.L. Miller, Climate Change 2007: The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2007),
http://www.ipcc.ch/ipccreports/ar4-wg1.html, accessed: July 2014
[5] C.P. Chio and C.M. Liao, Assessment of atmospheric ultrafine carbon particle induced human health risk based on surface area dosimetry, Atmos. Environ. 42, 8575–8584 (2008),
http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.08.027
[6] IARC Scientific Publication No.161: Air Polution and Cancer, Eds. K. Straif, A. Cohen, and J. Samet, eISBN 978-92-832-2161-6, ISSN 0300-5085 (2013),
http://www.iarc.fr/en/publications/books/sp161/
[7] IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Eds. T.F. Stocker, D. Qin, G.K. Plattner, M. Tignor, S.K. llen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, and P.M. Midgley (Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2013),
http://dx.doio.org/10.1017/CBO9781107415324
[8] X. Li, P. Gilmour, K. Donaldson, and W. MacNee, Free radical activity and proinflammatory effects of particulate air pollution (PM10) in vivo and in vitro, Thorax 51(12), 1216–1222 (1996),
http://dx.doi.org/10.1136/thx.51.12.1216
[9] J. Kannosto, A. Virtanen, M. Lemmetty, J.M. Makela, J. Keskinen, H. Junninen, T. Hussein, P. Aalto, and M. Kulmala, Mode resolved density of atmospheric aerosol particles, Atmos. Chem. Phys. 8, 5327–5227 (2008),
http://dx.doi.org/10.5194/acp-8-5327-2008
[10] Y.F. Lin, Y.P.G. Wu, and C.T. Chang, Combustion characteristics of waste-oil produced biodiesel/diesel fuel blends, Fuel 86, 1772–1780 (2007),
http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2007.01.012
[11] S. Chien, Y.J. Huang, S.C. Chuang, and H.H. Yang, Effects of biodiesel blending on particulate and polycyclic aromatic hydrocarbon emissions in nano/ultrafine/fine/coarse ranges from diesel engine, Aerosol Air Qual. Res. 9, 18–31 (2009),
http://dx.doi.org/10.4209/aaqr.2008.09.0040
[12] M. Kulmala, K.E.J. Lehtinen, and A. Laaksonen, Cluster activation theory as an explanation of the linear dependence between formation rate of 3 nm particles and sulphuric acid concentration, Atmos. Chem. Phys. 6, 787–793 (2006),
http://dx.doi.org/10.5194/acp-6-787-2006
[13] D. Brus, K. Neitola, A.P. Hyvarinen, T. Petaja, J. Vanhanen, M. Sipila, P. Paasonen, M. Kulmala, and H. Lihavainen, Homogenous nucleation of sulfuric acid and water at close to atmospherically relevant conditions, Atmos. Chem. Phys. 11, 5277–5287 (2011),
http://dx.doi.org/10.5194/acp-11-5277-2011
[14] Z.D. Ristovski, T. Suni, M. Kulmala, M. Boy, N.K. Meyer, J. Duplissy, A. Turnipseed, L. Morawska, and U. Baltensperger, The role of sulphates and organic vapours in growth of newly formed particles in a eucalypt forest, Atmos. Chem. Phys. 10, 2919–2926 (2010),
http://dx.doi.org/10.5194/acp-10-2919-2010
[15] M. Ehn, T. Petaja, H. Aufmhoff, P. Aalto, K. Hameri, F. Arnold, A. Laaksonen, and M. Kulmala, Hygroscopic properties of ultrafine aerosol particles in the boreal forest: diurnal variation, solubility and the influence of sulfuric acid, Atmos. Chem. Phys. 7, 211–222 (2007),
http://dx.doi.org/10.5194/acp-7-211-2007
[16] G. Hanel and J. Thudium, Mean bulk densities of samples of dry atmospheric aerosol particles: A summary of measured data, Pure Appl. Geophys. 115(4), 799–803 (1977),
http://dx.doi.org/10.1007/BF00881211
[17] P.H. McMurry, X. Wang, K. Park, and K. Ehara, The relationship between mass and mobility for atmospheric particles: a new technique for measuring particle density, Aerosol Sci. Technol. 36, 227–238 (2002),
http://dx.doi.org/10.1080/027868202753504083
[18] M.T. Spencer, L.G. Shields, and K.A. Prather, Simultaneous measurement of the effective density and chemical composition of ambient aerosol particles, Environ. Sci. Technol. 41(4), 1303–1309 (2007),
http://dx.doi.org/10.1021/es061425+
[19] M. Hu, J. Peng, K. Sun, D. Yue, S. Guo, A. Wiedensohler, and Z. Wu, Estimation of size-resolved ambient particle density based on the measurement of aerosol number, mass, and chemical size distribution in the winter in Beijing, Environ. Sci. Technol. 46, 9941–9947 (2012),
http://dx.doi.org/10.1021/es204073t
[20] P. DeCarlo, J. Slowik, D. Worsnop, P. Davidovits, and J. Jimenez, Particle morphology and density characterization by combined mobility and aerodynamic diameter measurements. Part 1: Theory, Aerosol Sci. Technol. 38, 1185–1205 (2004),
http://dx.doi.org/10.1080/027868290903907
[21] Q.G.J. Malloy, S. Nakao, L. Qi, R. Austin, C. Stothers, H. Hagino, and D.R. Cocker, Real-time aerosol density determination utilizing a modified scanning mobility particle sizer – aerosol particle mass analyzer system, Aerosol. Sci. Technol. 43(7), 673–678 (2009),
http://dx.doi.org/10.1080/02786820902832960
[22] L. Morawska, G. Johnson, Z. Ristovski, and V. Agranovski, Relation between particle mass and number for submicrometer airborne particles, Atmos. Environ. 33(13), 1983–1990 (1999),
http://dx.doi.org/10.1016/S1352-2310(98)00433-6
[23] O. Schmid, E. Karg, D.E. Hagen, P.D. Whitefield, and G.A. Ferron, On the effective density of nonspherical particles as derived from combined measurements of aerodynamic and mobility equivalent size, J. Aerosol. Sci. 38(4), 431–443 (2007),
http://dx.doi.org/10.1016/j.jaerosci.2007.01.002
[24] J.T. Jayne, D.C. Leard, X.F. Zhang, P. Davidovits, K.A. Smith, C.E. Kolb, and D.R. Worsnop, Development of an aerosol mass spectrometer for size and composition analysis of submicron particles, Aerosol Sci. Technol. 33, 49–70 (2000),
http://dx.doi.org/10.1080/027868200410840
[25] M.R. Canagaratna, J.T. Jayne, J.L. Jimenez, J.D. Allan, M.R. Alfarra, Q. Zhang, T.B. Onasch, F. Drewnick, H. Coe, A. Middlebrook, A. Delia, L.R. Williams, A.M. Trimborn, M.J. Northway, P.F. DeCarlo, C.E. Kolb, P. Davidovits, D.R. Worsnop, Chemical and microphysical characterization of ambient aerosols with the aerodyne aerosol mass spectrometer, Mass Spectrom. Rev. 26, 185–222 (2007),
http://dx.doi.org/10.1002/mas.20115
[26] P. Liu, P.J. Ziemann, D.B. Kittelson, and P.H. McMurry, Generating particle beams of controlled dimensions and divergence: I. Theory of particle motion in aerodynamic lenses and nozzle expansions, Aerosol Sci. Technol. 22, 293–313 (1995),
http://dx.doi.org/10.1080/02786829408959748
[27] A. Middlebrook and R. Bahreini, Applying Laboratory Collection Efficiencies to Ambient Field Data, AMS Users' Meeting 2008 (2008),
http://cires1.colorado.edu/jimenez-group/UsrMtgs/UsersMtg9/09_Middlebrook_CE.pdf
[28] S. Byčenkienė, K. Plauškaitė-Šukienė, V. Dudoitis, and V. Ulevičius, Urban background levels of particle number concentration and sources in Vilnius, Lithuania, Atmos. Res. 143, 279–292 (2014),
http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosres.2014.02.019
[29] A. Wiedensohler, W. Birmili, A. Nowak, A. Sonntag, K. Weinhold, M. Merkel, B. Wehner, T. Tuch, S. Pfeifer, M. Fiebig, et al., Mobility particle size spectrometers: harmonization of technical standards and data structure to facilitate high quality long-term observations of atmospheric particle number size distributions, Atmos. Meas. Tech. 5, 657–685 (2012),
http://dx.doi.org/10.5194/amt-5-657-2012
[30] Q. Zhang, M.R. Canagaratna, J.T. Jayne, D.R. Worsnop, and J.L. Jimenez, Time- and size-resolved chemical composition of submicron particles in Pittsburgh: Implications for aerosol sources and processes, J. Geophys. Res. 110, D07S09 (2005),
http://dx.doi.org/10.1029/2004jd004649
[31] C. Mohr, P.F. DeCarlo, M.F. Heringa, R. Chirico, J.G. Slowik, R. Richter, C. Reche, A. Alastuey, X. Querol, R. Seco, J. Peñuelas, J.L. Jiménez, M. Crippa, R. Zimmermann, U. Baltensperger, and A.S.H. Prévôt, Identification and quantification of organic aerosol from cooking and other sources in Barcelona using aerosol mass spectrometer data, Atmos. Chem. Phys. 12, 1649–1665 (2012),
http://dx.doi.org/10.5194/acp-12-1649-2012
[32] L. Xing, T.M. Fu, J.J. Cao, S.C. Lee, G.H. Wang, K.F. Ho, M.C. Cheng, C.F. You, and T.J. Wang, Seasonal and spatial variability of the OM/OC mass ratios and high regional correlation between oxalic acid and zinc in Chinese urban organic aerosols, Atmos. Chem. Phys. 13, 4307–4318 (2013),
http://dx.doi.org/10.5194/acp-13-4307-2013
[33] B.J. Turpin and H.J. Lim, Species contributions to PM2.5 mass concentrations: Revisiting common assumptions for estimating organic mass, Aerosol Sci. Technol. 35(1), 602–610 (2001),
http://dx.doi.org/10.1080/02786820119445
[34] T.H. Gan, P. Hield, B. Boere, M. Bentley, T. Cogdon, P.J. Hanhela, B. Anderson, and R. Gillett, in: Proceedings of 15th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles (Zurich, Switzerland, 2011),
http://www.exisab.com/Docs/Conferences/ETH_Nanoparticle_2011/Gan.pdf