Studies of ambient and chamber aerosol composition using the aerosol mass spectrometer

This thesis presents composition measurements for atmospherically relevant inorganic and organic aerosol from laboratory and ambient measurements using the Aerodyne aerosol mass spectrometer. Studies include the oxidation of dodecane in the Caltech environmental chambers, and several aircraft- and ground-based field studies, which include the quantification of wildfire emissions off the coast of California, and Los Angeles urban emissions.

The oxidation of dodecane by OH under low NO conditions and the formation of secondary organic aerosol (SOA) was explored using a gas-phase chemical model, gas-phase CIMS measurements, and high molecular weight ion traces from particle- phase HR-TOF-AMS mass spectra. The combination of these measurements support the hypothesis that particle-phase chemistry leading to peroxyhemiacetal formation is important. Positive matrix factorization (PMF) was applied to the AMS mass spectra which revealed three factors representing a combination of gas-particle partitioning, chemical conversion in the aerosol, and wall deposition.

Airborne measurements of biomass burning emissions from a chaparral fire on the central Californian coast were carried out in November 2009. Physical and chemical changes were reported for smoke ages 0 – 4 h old. CO₂ normalized ammonium, nitrate, and sulfate increased, whereas the normalized OA decreased sharply in the first 1.5 - 2 h, and then slowly increased for the remaining 2 h (net decrease in normalized OA). Comparison to wildfire samples from the Yucatan revealed that factors such as relative humidity, incident UV radiation, age of smoke, and concentration of emissions are important for wildfire evolution.

Ground-based aerosol composition is reported for Pasadena, CA during the summer of 2009. The OA component, which dominated the submicron aerosol mass, was deconvolved into hydrocarbon-like organic aerosol (HOA), semi-volatile oxidized organic aerosol (SVOOA), and low-volatility oxidized organic aerosol (LVOOA). The HOA/OA was only 0.08–0.23, indicating that most of Pasadena OA in the summer months is dominated by oxidized OA resulting from transported emissions that have undergone photochemistry and/or moisture-influenced processing, as apposed to only primary organic aerosol emissions. Airborne measurements and model predictions of aerosol composition are reported for the 2010 CalNex field campaign.

Inter-stage line ratio of He- and Li-like Ti emissions for the electron temperature measurement

Under coronal conditions, the steady state rate-equations are used to calculate the inter-stage line ratios between Li-like Is(2)2p(P-2(3/2))-> 1s(2)2s -> ((2) S-1/2) and He-like 1s2p (P-1(1))-> 1s(2) (S-1(0)) transitions for Ti in the electronic temperature ranges from 0.1 keV to 20 keV. The results show that the. temperature sensitivities are higher at the electronic temperature less than 5000 eV and the temperature sensitivities will decrease with the increase of electronic temperature.

Oxidation of Volatile Organic Compounds in Aqueous Solution and at the Air-water Interface of Aqueous Microdroplets

Isoprene (ISO),the most abundant non-methane VOC, is the major contributor to secondary organic aerosols (SOA) formation. The mechanisms involved in such transformation, however, are not fully understood. Current mechanisms, which are based on the oxidation of ISO in the gas-phase, underestimate SOA yields. The heightened awareness that ISO is only partially processed in the gas-phase has turned attention to heterogeneous processes as alternative pathways toward SOA.

During my research project, I investigated the photochemical oxidation of isoprene in bulk water. Below, I will report on the λ > 305 nm photolysis of H₂O₂ in dilute ISO solutions. This process yields C₁₀H₁₅OH species as primary products, whose formation both requires and is inhibited by O₂. Several isomers of C₁₀H₁₅OH were resolved by reverse-phase high-performance liquid chromatography and detected as MH⁺ (m/z = 153) and MH⁺-18 (m/z = 135) signals by electrospray ionization mass spectrometry. This finding is consistent with the addition of ·OH to ISO, followed by HO-ISO· reactions with ISO (in competition with O₂) leading to second generation HO(ISO)₂· radicals that terminate as C₁₀H₁₅OH via β-H abstraction by O₂.

It is not generally realized that chemistry on the surface of water cannot be deduced, extrapolated or translated to those in bulk gas and liquid phases. The water density drops a thousand-fold within a few Angstroms through the gas-liquid interfacial region and therefore hydrophobic VOCs such as ISO will likely remain in these relatively 'dry' interfacial water layers rather than proceed into bulk water. In previous experiments from our laboratory, it was found that gas-phase olefins can be protonated on the surface of pH < 4 water. This phenomenon increases the residence time of gases at the interface, an event that makes them increasingly susceptible to interaction with gaseous atmospheric oxidants such as ozone and hydroxyl radicals.

In order to test this hypothesis, I carried out experiments in which ISO(g) collides with the surface of aqueous microdroplets of various compositions. Herein I report that ISO(g) is oxidized into soluble species via Fenton chemistry on the surface of aqueous Fe(II)Cl₂ solutions simultaneously exposed to H₂O₂(g). Monomer and oligomeric species (ISO)1-8H⁺ were detected via online electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) on the surface of pH ~ 2 water, and were then oxidized into a suite of products whose combined yields exceed ~ 5% of (ISO)1-8H⁺. MS/MS analysis revealed that products mainly consisted of alcohols, ketones, epoxides and acids. Our experiments demonstrated that olefins in ambient air may be oxidized upon impact on the surface of Fe-containing aqueous acidic media, such as those of typical to tropospheric aerosols.

Related experiments involving the reaction of ISO(g) with ·OH radicals from the photolysis of dissolved H₂O₂ were also carried out to test the surface oxidation of ISO(g) by photolyzing H₂O₂(aq) at 266 nm at various pH. The products were analyzed via online electrospray ionization mass spectrometry. Similar to our Fenton experiments, we detected (ISO)1-7H⁺ at pH < 4, and new m/z⁺ = 271 and m/z^- = 76 products at pH > 5.

Emissões de compostos orgânicos voláteis de um aterro controlado e o potencial formador de ozônio

O presente estudo teve como objetivo quantificar as emissões de Compostos Orgânicos Voláteis do Aterro Controlado Morro do Céu localizado na cidade de Niterói, Rio de Janeiro, Brasil. Para tanto, vinte amostras foram coletadas, usando uma bomba de ar operada a bateria durante dois dias de dezembro de 2009. Uma câmara de fluxo cilíndrica de PVC de 30L foi inserida 5 cm no solo do aterro, e as amostras foram coletadas através de uma válvula na parte superior da câmera. Os resultados indicaram um valor de 1.980 Kg Km-2 h-1. O modelo Gaussiano de dispersão atmosférica ISCST3 foi utilizado para calcular a difusão e transporte dos poluentes a fim de estimar as concentrações de COV no bairro, usando dados topográficos, meteorológicos e de emissões. Valores de 525 μg m-3 de COV foram encontrados a 500 metros do aterro. As emissões do aterro foram usadas em conjunto com dados meteorológicos, utilizando o modelo de trajetória OZIPR e o mecanismo químico SAPRC para demonstrar o impacto na formação do ozônio troposférico na região. É conhecido que o ozônio é formado pela reação entre COV, NOx e luz solar. A contribuição de valores elevados de COV provenientes das emissões do aterro conduzirá a uma nova situação com valores mais elevados de ozônio na região. Os resultados da modelagem indicaram um aumento maior que 1000% nos níveis de ozônio na região do aterro, se comparado com a modelagem do ozônio para a região metropolitana do Rio de Janeiro. Os resultados mostram ser necessário que maior atenção seja dada à política de gerenciamento de RSU no Brasil, incluindo a escolha adequada para o local de instalação, o monitoramento da área durante e após o período de operação e técnicas mais adequadas de disposição dos resíduos sólidos urbanos

Estudo do impacto do complexo petroquímico COMPERJ na atmosfera

Os modelos de dispersão de ar têm sido utilizados amplamente para investigação de padrões de dispersão, comportamento de emissões, estimativas de potenciais riscos a saúde humana, elaboração de propostas de gerenciamento ambiental e, também, na previsão de impacto da qualidade do ar. Alguns modelos, homologados por agência de regulação de alguns países ou comunidades, servem de base para as análises de risco com auxílio de simulação. Somente após este tipo de análise uma unidade fabril terá direito à sua instalação e operação nestes países. Nesta dissertação, serão abordados os principais poluentes presentes em uma indústria petroquímica básica, uma revisão sobre os principais tipos de modelos existentes no mercado e um estudo de caso será realizado empregando os modelos AERMOD e OZIPR/SAPRC. A indústria petroquímica básica a servir de modelo será o Complexo Petroquímico do Rio de Janeiro, que deverá ser instalado no município de Itaboraí e com operação prevista para o ano de 2012. De acordo com as simulações realizadas neste trabalho, o poluente NOx apresentou os resultados mais críticos violando em algumas áreas os padrões primários e secundários de emissão. Diante deste fato, o ozônio se tornou um poluente secundário importante a ser analisado. E para sua simulação, premissas tiveram que ser tomadas, devido a ausência de dados, criando cenários que apresentaram resultados díspares: Ora violando os limites, ora se mantendo abaixo deles. Apesar disso, estes cenários apontaram a mesma solução para minimizar esta formação de ozônio: controlar as emissões de compostos orgânicos voláteis.

Optimizations for the uniformity of the non-volatile volume grating in doubly doped LiNbO3 crystals

The formation of the non-uniformity of the non-volatile volume grating in doubly doped LiNbO3 crystals is studied in detail. We find that the non-uniformity of the grating is mainly caused by strong ultraviolet light absorption, and the average saturation space-charge field is small and the diffraction efficiency is low as a result of the non-uniformity of the grating. In order to optimize the uniformity of the grating, we propose the recording scheme by using two sensitizing beams simultaneously from the two opposite sides of the crystals. Theoretical simulations and experimental verifications are performed. Results show that the well uniformed grating with high diffraction efficiency can be obtained by using this optimization scheme. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Strong visible up-conversion emissions and thermometric applications of Er3+-Yb3+ codoped Al2O3 prepared by the sol-gel method

The Er3+-Yb3+ codoped Al2O3 has been prepared by the sol-gel method using the aluminium isopropoxide [Al(OC3H7)(3)]-derived Al2O3 sols with addition of the erbium nitrate [Er(NO3)(3) center dot 5H(2)O] and ytterbium nitrate [Yb(NO3)(3) center dot 5H(2)O]. The phase structure, including only two crystalline types of doped Al2O3 phases, theta and gamma, was obtained for the 1 mol% Er3+ and 5 mol% Yb3+ codoped Al2O3 at the sintering temperature of 1,273 K. By a 978 nm semiconductor laser diodes excitation, the visible up-conversion emissions centered at about 523, 545, and 660 nm were obtained. The temperature dependence of the green up-conversion emissions was studied over a wide temperature range of 300-825 K, and the reasonable agreement between the calculated temperature by the fluorescence intensity ratio (FIR) theory and the measured temperature proved that Er3+-Yb3+ codoped Al2O3 plays an important role in the application of high temperature sensor.

Impacto das motocicletas na qualidade do ar das grandes cidades

O crescimento do número de motocicletas nas grandes cidades, em função de fatores como o baixo custo e a alta mobilidade nos centros urbanos, tem sido considerado um importante fator de deterioração da qualidade do ar. Nesse contexto, o monitoramento das emissões gasosas provenientes do escapamento desses veículos é fundamental para o conhecimento da contribuição dessa classe de transporte no agravamento da poluição atmosférica. A partir dessas informações tornam-se possíveis o monitoramento e o controle da qualidade do ar. Para tanto, amostras das emissões de diferentes motocicletas foram coletadas, por meio de dinamômetro, e analisadas por cromatografia gasosa. As emissões das motocicletas foram utilizadas em conjunto com dados meteorológicos utilizando o modelo de trajetória OZIPR e o mecanismo químico SAPRC para demonstrar o impacto na formação do ozônio troposférico na região. As simulações indicam que a concentração de ozônio na troposfera poderá ultrapassar o padrão nacional estabelecido pela Resolução CONAMA 03/90 em até três anos. Além disso, acrescenta-se que as taxas de emissões de compostos legislados emitidos pelas motocicletas utilizadas neste estudo (HC, CO e NOx) já atendem aos níveis preconizados em todas as fases do PROMOT. Assim, além da adoção do PROMOT, se fazem necessárias medidas adicionais para o gerenciamento da emissão de poluentes provindos de fontes móveis. A alteração do tipo de combustível ou até mesmo da fonte de energia, elétrica, por exemplo, seria uma alternativa para o controle da poluição atmosférica

Determinação de compostos monoaromáticos voláteis provenientes de emissões de veículos leves, em estacionamentos subterrâneos.

Este trabalho visa determinar a contribuição das emissões evaporativas provenientes dos veículos leves de passageiro, para a degradação da qualidade do ar atmosférico. O objetivo principal é avaliar as concentrações compostos monoaromáticos voláteis Benzeno, Tolueno, Etilbenzeno e Xilenos (BTEX) em ambientes confinados, sendo este realizado em um local que caracterize a realidade da frota veicular da Região metropolitana do Rio de Janeiro. As amostras foram coletadas em um estacionamento subterrâneo de um Shopping Center da zona norte do Rio de Janeiro, através do sistema de amostragem ativa, utilizando cartucho de carvão ativo como adsorvente. As amostras foram extraídas com solvente orgânico e analisadas posteriormente por Cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CGEM). As médias dos resultados obtidos foram 52,7 g.m-3 para o benzeno, 203,6 g.m-3 para o tolueno, 44,6 g.m-3 para o etilbenzeno, 115,7 g.m-3 para os xilenos, sendo o tolueno o composto encontrado em maior abundância. Esses resultados foram comparados com resultados encontrados na literatura de emissões veiculares em ambientes confinados como garagens e túneis. Foi investigada a correlação com as emissões do veículo em movimento, obtidas através de estudos previamente realizados em um túnel de grande circulação e as emissões obtidas no estacionamento subterrâneo. Através desses dados ficou demonstrada diferença das fontes de emissão.

Infrared-to-visible upconversion emissions in Er3+ doped TeO2-based oxyhalide glasses

The fluorescence and up-conversion spectral properties of Er3+-doped TeO2-ZnO and TeO2-ZnO-PbCl2 glasses suitable for developing optical fiber amplifier and laser have been fabricate and characterized. Strong green (around 527-550 nm) and red (around 661 nm) up-conversion emissions under 977 nm laser diode excitation were investigated, corresponding to H-2(11/2), S-4(3/2), --> I-4(15/2) and F-4(9/2) --> I-4(15/2) transitions of Er3+ ions respectively, have been observed and the involved mechanisms have been explained. The dependence of up-converted fluorescence intensity versus laser power confirm that two-photons contribute to up-conversion of the green-red emissions. The novelty of this kind of optical material has been its ability in resisting devitrification, and its promising optical properties strongly encourage for their further development as the rare-earth doped optical fiber amplifiers and upconversion fiber laser systems.

Upconversion emissions in Yb3+-Tm3+-doped tellurite glasses excited at 976 nm

Intense Tm3+ blue upconversion emission has been observed in Tm3+-Yb3+ codoped oxyfluoride tellurite glass under excitation with a diode laser at 976 nm. Three emission bands centered at 475, 650 and 796 nm corresponding to the transitions (1)G(4) -> H-3(6), (1)G(4) -> H-3(4) and F-3(4) -> H-3(6), respectively, simultaneously occur. The dependence of upconversion intensities on Tm3+ ions concentration and excitation power are investigated. For fixed Yb2O3 concentrations of 5.0 mol%, the maximum upconversion intensity was obtained with Tm2O3 concentration of about 0.1 mol%. The blue upconversion luminescence lifetimes of the Tm3+ transitions (1)G(4) -> H-3(6) are measured. The results are evaluated by the possible upconversion mechanisms.

Estudo dos compostos reduzidos de enxofre na formação do ozônio troposférico na cidade do Rio de Janeiro

O petróleo é uma complexa mistura de compostos orgânicos e inorgânicos em que predominam os hidrocarbonetos e que apresentam contaminações variadas, entre essas os compostos de enxofre. Esses além de gerarem inconvenientes durante os processos de refino do petróleo, como corrosão nos equipamentos e envenenamento de catalisadores dos processos de craqueamento, também representam um grande problema para o meio ambiente e para a saúde da população, principalmente em relação à poluição atmosférica. Além das emissões de compostos de enxofre oriundas da própria refinaria, com destaque para os óxidos de enxofre e o sulfeto de hidrogênio, os compostos de enxofre, que não são retirados durante o refino e estão presentes nos derivados do petróleo, provocam a emissão de uma grande quantidade de poluentes na atmosfera durante o processo de queima dos combustíveis. Os efeitos dos CRE na atmosfera urbana ainda não são muito conhecidos, o que justifica um estudo mais profundo desses compostos, que além de causarem danos a saúde da população, podem influenciar na formação do ozônio troposferico