Characterization of indoor aerosol particles: size, concentration, composition, volatility and mixing state

Abstract

Aerosols are an essential part of earth´s atmosphere, nevertheless, urbanization of human population and anthropogenic emissions lead to human exposure to aerosols above limits safe to human health.Extensive work has been done to characterize ambient aerosols, however, people spend most of their daily time in indoor environments, where aerosols may be considerably different from those measured outdoors, in terms of concentration, size and chemical composition.Aerosol mass concentration is generally dominated by fine and coarse particles, while particle number concentration is dominated by ultrafine particles. The later are more challenging to characterize chemically, since many chemical speciation methods are based on mass, and very long sampling periods would be required to collect enough mass for analysis. Properties such as volatility and hygroscopicity have been used to indirectly infer ultrafine particles composition and mixing state.A Volatility Tandem Differential Mobility Analyzer was developed and fully characterized, and used in three case studies of indoor aerosol characterization. The case studies covered a short campaign on a residential building and urban background aerosol, an extensive aerosol characterization in the metro system of Athens, and a study on the emissions from a 3D printer, as an example of a specific indoor aerosol source.Residential aerosol concentrations were shown to be driven mostly by outdoor ambient aerosol, except when household activities like cooking and fireplace use took place. Outdoor ambient aerosol concentration and volatility showed strong seasonal variability. Volatility measurements identified clearly the externally mixture caused by some indoor sources, and that outdoor particles became less volatile when penetrating indoors.The metro environment was characterized by high levels of PM10 and PM2.5, mostly composed of Fe, and originated from sources related with trains operation including mechanical wear and friction processes at rail-wheel-brake interfaces. Particulate matter (PM) concentrations inside trains were higher than in the stations platforms, due to the penetration of particles from the tunnels into the trains. The railway curvature was shown to influence the amount of PM generated. Ultrafine particles concentration was mostly driven by urban pollution, according to size distribution and volatility measurements.The use of low -end 3D printers may expose users to high levels of nanoparticles, depending on operating settings and feedstock used. Particles were shown to be internally mixed and originated from the recondensation of low volatility compounds emitted during the extrusion process.The results and data provided by this thesis may serve as base for further studies on aerosol dose models and complemented with toxicological studies. The case studies on the metro and 3D printer provide measures to reduce particle exposure, and may assist stakeholders in the adoption of preventive and mitigation strategies.

Τα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούν σημαντικό μέρος της γήινης ατμόσφαιρας. Ωστόσο, η αστικοποίηση του ανθρώπινου πληθυσμού και οι ανθρωπογενείς εκπομπές οδηγούν στην έκθεση των ανθρώπων σε ποσότητες αιωρούμενων σωματιδίων που υπερβαίνουν τα ασφαλή για την ανθρώπινη υγεία όρια. Εκτεταμένες μελέτες έχουν διεξαχθεί προκειμένου να προσδιοριστούν τα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά των αιωρούμενων σωματιδίων του εξωτερικού ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος. Ωστόσο, οι άνθρωποι περνούν το μεγαλύτερο μέρος της ημέρας σε εσωτερικούς χώρους, όπου τα αιωρούμενα σωματίδια διαφέρουν σημαντικά ως προς τη συγκέντρωσή τους, το μέγεθός τους και τη χημική τους σύσταση σε σχέση με εκείνα του εξωτερικού περιβάλλοντος. Τα λεπτόκοκκα και χονδρόκοκκα σωματίδια κυριαρχούν στη συγκέντρωση μάζας των αερολυμάτων, ενώ τα υπέρλεπτα σωματίδια κυριαρχούν στην συγκέντρωση του αριθμού. Η χημική σύσταση των υπέρλεπτων σωματιδίων είναι δύσκολο να προσδιοριστεί, διότι οι περισσότερες από τις διαθέσιμες μεθόδους προσδιορισμού της σύστασης των αιωρούμενων σωματιδίων βασίζονται στη μάζα τους, και επομένως απαιτείται μεγάλο χρονικό διάστημα δειγματοληψιών προκειμένου να συλλεχθεί αρκετή μάζα υπέρλεπτων σωματιδίων για περαιτέρω ανάλυση. Ιδιότητες όπως η πτητικότητα και η υγροσκοπικότητα χρησιμοποιούνται προκείμενου με έμμεσο τρόπο να εκτιμηθεί η σύσταση των υπέρλεπτων σωματιδίων, καθώς και η κατάσταση ανάμειξής τους. Στα πλαίσια υλοποίησης της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε και χαρακτηρίστηκε λεπτομερώς η λειτουργίας ενός δίδυμου αναλυτή πτητικότητας (VTDMA). Στην συνέχεια εφαρμόστηκε α) για τη μελέτη των ιδιοτήτων του ατμοσφαιρικού αερολύματος αστικού υποβάθρου και των ιδιοτήτων των σωματιδίων του εσωτερικού περιβάλλοντος μέσα από καμπάνιες δειγματοληψίας που πραγματοποιήθηκαν σε μία αστική κατοικία, β) για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων των σωματιδίων στους χώρους του ΜΕΤΡΟ της Αθήνας και γ) για τη μελέτη των ιδιοτήτων των σωματιδίων που εκπέμπονται από 3D εκτυπωτές. Οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων στο εσωτερικό της κατοικίας καθορίζονταν κυρίως από τις συγκεντρώσεις του εξωτερικού περιβάλλοντος, εκτός από τη περίπτωση όπου οικιακές δραστηριότητες (εσωτερικές πηγές) λαμβάνουν χώρα όπως το μαγείρεμα, η χρήση τζακιού κτλ. Οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων καθώς και η πτητικότητά τους παρουσίασαν σημαντική εποχιακή διακύμανση. Η μελέτη της πτητικότητας των σωματιδίων υποδεικνύει ότι τα σωματίδια του εσωτερικού περιβάλλοντος χαρακτηρίζονται ως εξωτερικώς αναμεμειγμένα, ενώ τα σωματίδια του εξωτερικού περιβάλλοντος γίνονται λιγότερο πτητικά καθώς εισέρχονται στο εσωτερικό περιβάλλον. Το εσωτερικό περιβάλλον του ΜΕΤΡΟ χαρακτηρίστηκε από υψηλές συγκεντρώσεις μάζας των σωματιδιακών κλασμάτων PM10 και PM2.5 , με τον Σίδηρο να αποτελεί το κυρίαρχο χημικό στοιχείο, προερχόμενο κυρίως από πηγές που σχετίζονται με τη λειτουργία των τρένων (π.χ. μηχανικές φθορές, διεργασίες τριβής στις επιφάνειες μεταξύ των τροχών και των φρένων των συρμών και των σιδηροτροχιών). Οι συγκεντρώσεις των σωματιδιακών κλασμάτων εντός του τρένου ήταν υψηλότερες σε σχέση με εκείνες στις πλατφόρμες των σταθμών, εξαιτίας της διείσδυσης σωματιδίων από τα τούνελ από τα οποία διέρχονται οι συρμοί κατά τη διάρκεια της κίνησής τους στο εσωτερικό των τρένων. Επιπλέον, η καμπυλότητα των σιδηροτροχιών φάνηκε να επηρεάζει το ποσό των αιωρούμενων σωματιδίων που παράγονται. Οι χρήστες των 3D εκτυπωτών δύναται να εκτεθούν σε υψηλές συγκεντρώσεις νανοσωματιδίων, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας των εκτυπωτών και των υλικών που χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση. Τα σωματίδια που εκπέμπονται από τους εκτυπωτές χαρακτηρίζονται ως εσωτερικώς αναμεμειγμένα και προέρχονται από την επανασυμπύκνωση των χαμηλής πτητικότητας συστατικών που εκπέμπονται κατά τη διεργασία εξώθησης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη συγκεκριμένη διατριβή μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για περαιτέρω μελέτες και να συνδυαστούν με μοντέλα δοσιμετρίας καθώς και με τοξικολογικές μελέτες. Η μελέτη των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων στις εγκαταστάσεις του ΜΕΤΡΟ, καθώς και εκείνων που εκπέμπονται από τους 3D εκτυπωτές, είχε σαν αποτέλεσμα την διατύπωσης προτάσεων σε σχέση με μέτρα για τη μείωση της έκθεσης των ανθρώπων στα αιωρούμενα σωματίδια και την υιοθέτηση από τους ενδιαφερόμενους φορείς κατάλληλων στρατηγικών μείωσης και περιορισμού των αιωρούμενων σωματιδίων.