Μελέτη μεταλλικών ιχνηθετών τα αιωρούμενα σωματίδια για την εκτίμηση των πηγών ατμοσφαιρικής ρύπανσης

Abstract

The objective of this study is to estimate aerosol sources using aerosol particle tracers. Identification of pollution sources includes receptor-modeling techniques based on the concentrations of aerosol components at a receptor site. Statistical methods such as Principal Component Analysis and Positive Matrix Factorization were employed to apportion sources of ambient particulate matter. In order to obtain quantitative source contributions Absolute Principal Component Analysis, APCA was performed. The experimental part of this work was devided in three parts: 1. Source apportionment of fine and coarse aerosol in the Athens Metropolitan area Two aerosol-sampling campaigns were conducted during March 2002 - December 2002 at three sites in the Athens Metropolitan area, during the cold and warm period. PM10 and PM2.1 samples were collected simultaneously over a 24 h period. Black carbon concentrations (BC) were concurrently measured by means of an aethalometer. After gravimetric analysis the loaded PTFE membrane filters were subjected to microwave acid digestion and analysed for Cd, Pb, V, Ni, Mn, Cr, Cu, Fe, Al, Ca, Mg, K, and Na by atomic absorption spectrometry. In two out of three sites the water-soluble SO4 2- was also determined by ion chromatography. The main results of this study were: • Fine particles contributed to total particle mass about 70 % • There was not found any seasonal variation for metals nad water soluble • Cd, Pb, V, Ni, Cr, Cu and K showed diurnal variation with their maximum concentrations when traffic peaks • SO4 2- ions showed maximum concentrations during noon • Comparing the two models PCA and PMF, PMF was proved to be a useful tool in source apportionment studies • Sources of fine particulate matter were road dust, vehicles emissions, biomass burning, marine aerosol and oil combustion • Sources of coarse particles were road dust, soil and marine aerosol • Traffic through vehicles emissions and resuspension of road dust was the major contributor to particle mass levels 2. Trace metals concentrations in particulate matter in the urban site of Volos Aerosol sampling was performed over 24 h periods during May-October 2003 at the city of Volos in Central Greece. The size distributions of 7Be, aerosol mass and trace metals were measured simultaneously using a six-stage Andersen cascade impactor. The obtained results were: • The most important aerosol sources were soil, marine aerosol, industry and motor vehicles • PCA and APCA could not clearly identify and quantify aerosol sources • PMF identified satisfactorily aerosol sources • Comparing aerosol sources in Volos and Athens the industrial activity was proved to be a significant source only in the case of Volos • 7Be activity concentration displayed negative correlation with aerosol mass concentration and against concentrations of most of the determined metals 3. Metallic tracers concentrations in TSP for the period 1980-2004 TSP samples that cover the period 1980 . 2004 were analysed in order to determine 11 metals, Cd, Pb, V, Ni, Cr, Mn, Cu, Fe, Ca, Mg and K. The pollution sources were estimated by means of PCA and PMF. • Pb showed a clear decenting trend • Pb, V and Ni, emitted by anthropogenic sources showed maximum concentrations during the warm season. Cr and Cu showed similar trend. • PCA was implemented in two different periods 1980-1990 and 1991-2004 but the obtained results were similar. The major aerosol sources for the period 1980-2004 were vehicles, oil combustion, soil and industry • PMF model resolved different sources for these periods. The first period 1980-1990 was characterized by motor vehicle emissions, road dust, soil and oil combustion while in the period 1991-2004 oil combustion, road dust and soil were the identified sources. • Pb could not be used as a tracer for motor vehicles emissions due to the comlete phase out of leaded petrol

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η εκτίµηση των πηγών προέλευσης του αερολύµατος στο ατµοσφαιρικό περιβάλλον. Η αναγνώριση των πηγών έγινε µε τη µελέτη των µεταλλικών ιχνηθετών και µε τη χρήση δύο διαφορετικών στατιστικών µοντέλων αποδέκτη, της Ανάλυσης σε Κύριες Συνιστώσες και της Θετικής Παραγοντικής Ανάλυσης. Το πειραµατικό µέρος αποτελείται από 3 µέρη: 1. Προσδιορισµός ιχνηθετών σε κλάσµατα αιωρούµενων σωµατιδίων από τρεις αστικές περιοχές της Αθήνας Πραγµατοποιήθηκαν δειγµατοληψίες αιωρούµενων σωµατιδίων (PM10 και PM2) σε τρεις περιοχές της Αθήνας, Παγκράτι, Αµπελόκηποι και Άνω Κυψέλη. Στα παραπάνω δείγµατα προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις των µετάλλων (Cd, Pb, V, Ni, Cr, Mn, Cu, Fe, Al, Ca, Mg, K και Na) των ιόντων NO3 - , SO4 2- και Cl- και του στοιχειακού άνθρακα. Από την µελέτη εκτίµησης των πηγών στα αιωρούµενα σωµατίδια της Αθήνας προέκυψαν τα εξής: • Τα λεπτόκοκκα σωµατίδια αποτελούν το 70 % της µάζας των σωµατιδίων PM10 • Δεν παρατηρήθηκε εποχιακή διακύµανση στις συγκεντρώσεις των µετάλλων και των ιόντων • Τα µέταλλα Cd, Pb, V, Ni, Cr, Cu και K παρουσίασαν ηµερήσια διακύµανση µε τις µέγιστες συγκεντρώσεις τους να εµφανίζονται τις ώρες που αυξάνεται η κίνηση των οχηµάτων, ενώ τα ιόντα SO4 2- παρουσίασαν τις µέγιστες συγκεντρώσεις τις µεσηµεριανές ώρες εφόσον αποτελούν δευτερογενή σωµατίδια • Συγκρίνοντας τα δύο στατιστικά µοντέλα PCA και PMF ως προς την ικανότητά τους να διακρίνουν τις πηγές, το PMF αποδεικνύεται πιο χρήσιµο εργαλείο εφόσον αντιµετωπίζει τα µειονεκτήµατα του PCA. πηγές ρύπανσης. • Οι κυριότερες πηγές λεπτόκοκκων σωµατιδίων είναι η αιώρηση της αστικής σκόνης, οι εκποµπές των οχηµάτων, η καύση βιοµάζας, το θαλάσσιο αερόλυµα και η καύση πετρελαίου. • Αντίθετα, οι πηγές χονδρόκοκκων σωµατιδίων είναι η αστική σκόνη, το έδαφος και το θαλάσσιο αερόλυµα. • Η κίνηση των οχηµάτων είτε µε τις άµεσες εκποµπές σωµατιδίων είτε µέσω της προκαλούµενης αιώρησης της αστικής σκόνης συνεισφέρει σηµαντικά στα επίπεδα των λεπτόκοκκων και χονδρόκοκκων σωµατιδίων. 2. Προσδιορισµός ιχνηθετών σε κλάσµατα αιωρούµενων σωµατιδίων από την αστική περιοχή του Βόλου Πραγµατοποιήθηκαν δειγµατοληψίες αιωρούµενων σωµατιδίων στην αστική περιοχή του Βόλου όπου χρησιµοποιήθηκε δειγµατολήπτης µεγάλου όγκου Andersen. Στα δείγµατα από την αστική περιοχή του Βόλου προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις 13 µετάλλων καθώς του ραδιονουκλίδιου 7Be. Από την µελέτη εκτίµησης των πηγών στα αιωρούµενα σωµατίδια του Βόλου προέκυψαν τα εξής: • Οι πηγές λεπτόκοκκων και χονδρόκοκκων σωµατιδίων για την πόλη του Βόλου είναι το έδαφος, το θαλάσσιο αερόλυµα, η βιοµηχανία και η κυκλοφορία των οχηµάτων. • Η ανάλυση σε κύριες συνιστώσες δεν διαχωρίζει ικανοποιητικά τις πηγές των σωµατιδίων καθώς και η απόλυτη ανάλυση APCA δεν ποσοτικοποιεί σωστά τις πηγές στην περιοχή του Βόλου. • Το µοντέλο PMF είναι πιο αποτελεσµατικό αν και η έλλειψη κάποιων παραµέτρων όπως είναι ο στοιχειακός άνθρακας, BC δεν επιτρέπει την εξαγωγή ασφαλών συµπερασµάτων. • Συγκρίνοντας τις πηγές στην πόλη του Βόλου µε εκείνες της Αθήνας διαπιστώθηκε η επίδραση της βιοµηχανίας κάτι που δεν ήταν ιδιαίτερα αντιληπτό στην περίπτωση της Αθήνας. • To ραδιονουκλιδίο 7Be εµφάνισε αρνητική συσχέτιση µε τις συγκεντρώσεις σωµατιδιακής µάζας και των περισσοτέρων µετάλλων στα λεπτόκοκκα σωµατίδια