Particle emission from heavy-duty engine fuelled with blended diesel and biodiesel

In this study, particulate matter (PM) were characterized from a place impacted by heavy-duty vehicles (Bus Station) fuelled with diesel/biodiesel fuel blend (B3) in the city of Londrina, Brazil. Sixteen priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) concentrations were analyzed in the samples by their association with atmospheric PM, mass size distributions and major ions (fluorite, chloride, bromide, nitrate, phosphate, sulfate, nitrite, oxalate; fumarate, formate, succinate and acetate; lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium and ammonium). Results indicate that major ions represented 21.2% particulate matter mass. Nitrate, sulfate, and ammonium, respectively, presented the highest concentration levels, indicating that biodiesel may also be a significant source for these ions, especially nitrate. Dibenzo[a,h]anthracene and indeno[1,2,3,-cd]pyrene were the main PAH found, and a higher fraction of PAH particles was found in diameters lower than 0.25 mu m in Londrina bus station. The fine and ultrafine particles were dominant among the PM evaluated, suggesting that biodiesel decreases the total PAH emission. However, it does also increase the fraction of fine and ultrafine particles when compared to diesel.

Risk assessment of PM2.5 to child residents in Brazilian Amazon region with biofuel production

Background: Exposure to fine fractions of particulate matter (PM2.5) is associated with increased hospital admissions and mortality for respiratory and cardiovascular disease in children and the elderly. This study aims to estimate the toxicological risk of PM2.5 from biomass burning in children and adolescents between the age of 6 and 14 in Tangara da Serra, a municipality of Subequatorial Brazilian Amazon. Methods: Risk assessment methodology was applied to estimate the risk quotient in two scenarios of exposure according to local seasonality. The potential dose of PM2.5 was estimated using the Monte Carlo simulation, stratifying the population by age, gender, asthma and Body Mass Index (BMI). Results: Male asthmatic children under the age of 8 at normal body rate had the highest risk quotient among the subgroups. The general potential average dose of PM2.5 was 1.95 mu g/kg.day (95% CI: 1.62 - 2.27) during the dry scenario and 0.32 mu g/kg. day (95% CI: 0.29 - 0.34) in the rainy scenario. During the dry season, children and adolescents showed a toxicological risk to PM2.5 of 2.07 mu g/kg. day (95% CI: 1.85 - 2.30). Conclusions: Children and adolescents living in the Subequatorial Brazilian Amazon region were exposed to high levels of PM2.5 resulting in toxicological risk for this multi-pollutant. The toxicological risk quotients of children in this region were comparable or higher to children living in metropolitan regions with PM2.5 air pollution above the recommended limits to human health.

Seasonal Distribution of Airborne Trace Elements and Water-Soluble Ions in Sao Paulo Megacity, Brazil

This study deals with the seasonal distribution of Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Pb and Zn and water soluble ions (Cl-, PO43-, NO3-, SO42-, HCOO-, CH3COO-, oxalate, succinate, Na+, NH4+, K+, Mg2+ and Ca2+) found in PM10 samples (particulate matter less than 10 mu m in diameter) Sao Paulo City, Brazil, (April 2003-May 2004). Higher atmospheric levels were found for SO42-, NO3-, Cl- and PO43- while the main organic anions were oxalate and formate. Atmospheric levels for elements were: Fe > Al > Ca > K > Na > Mg > Zn > Cu > Pb. Some sources were predominant for some species: (i) fuel burning and/or biomass burning (NO3-, HCOO-, C2O42-, K+, Mg2+, Ca2+, Fe, Pb, Zn, Al, Ca, K and Mg), (ii) gas-to-particle conversion (SO42- and NH4+) and (iii) sea salt spray (Cl-, Na+ and Na).

On the diurnal cycle of urban aerosols, black carbon and the occurrence of new particle formation events in springtime Sao Paulo, Brazil

Large conurbations are a significant source of the anthropogenic pollution and demographic differences between cities that result in a different pollution burden. The metropolitan area of Sao Paulo (MASP, population 20 million) accounts for one fifth of the Brazilian vehicular fleet. A feature of MASP is the amount of ethanol used by the vehicular fleet, known to exacerbate air quality. The study describes the diurnal behaviour of the submicron aerosol and relies on total particle number concentration, particle number size distribution, light scattering and light absorption measurements. Modelled planetary boundary layer (PBL) depth and air mass movement data were used to aid the interpretation. During morning rush-hour, stagnant air and a shallow PBL height favour the accumulation of aerosol pollution. During clear-sky conditions, there was a wind shift towards the edge of the city indicating a heat island effect with implications on particulate pollution levels at the site. The median total particle number concentration for the submicron aerosol typically varied in the range 1.6 x 10(4)-3.2 x 10(4) cm(-3) frequently exceeding 4 x 10(4) cm-3 during the day. During weekdays, nucleation-mode particles are responsible for most of the particles by numbers. The highest concentrations of total particle number concentrations and black carbon (BC) were observed on Fridays. Median diurnal values for light absorption and light scattering (at 637 nm wavelength) varied in the range 12-33 Mm(-1) and 21-64 Mm(-1), respectively. The former one is equal to 1.8-5.0 mu g m(-3) of BC. The growth of the PBL, from the morning rush-hour until noon, is consistent with the diurnal cycle of BC mass concentrations. Weekday hourly median single-scattering albedo (omega(0)) varied in the range 0.59-0.76. Overall, this suggests a top of atmosphere (TOA) warming effect. However, considering the low surface reflectance of urban areas, for the given range of omega(0), the TOA radiative forcing can be either positive or negative for the sources within the MASP. On the average, weekend omega(0) values were 0.074 higher than during weekdays. During 11% of the days, new particle formation (NPF) events occurred. The analysed events growth rates ranged between 9 and 25 nm h(-1). Sulphuric acid proxy concentrations calculated for the site were less than 5% of the concentration needed to explain the observed growth. Thus, other vapours are likely contributors to the observed growth.

The effects of particulate ambient air pollution on the murine umbilical cord and its vessels: A quantitative morphological and immunohistochemical study

Previous studies have shown that particulate matter (PM) compromise birth weight and placental morphology. We hypothesized that exposing mice to ambient PM would affect umbilical cord (UC) morphology. To test this, mice were kept in paired open-top exposure chambers at the same location and ambient conditions but, in one chamber, the air was filtered (F) and, in the other, it was not (NF). UCs were analysed stereologically and by immunohistochemistry to localize isoprostane and endothelin receptors. The cords of mice from NF chambers were smaller in volume due to loss of mucoid connective tissue and decrease in volume of collagen. These structural changes and in umbilical vessels were associated with greater volumes of regions immunostained for isoprostane, ETAR and ETBR. Findings indicate that the adverse effects of PM on birth weight may be mediated in part by alterations in UC structure or imbalances in the endogenous regulators of vascular tone and oxidative stress. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Seasonal distribution of airborne trace elements and water-soluble ions in São Paulo Megacity, Brazil

This study deals with the seasonal distribution of Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Pb and Zn and water soluble ions (Cl-, PO4(3-), NO3-, SO4(2-), HCOO-, CH3COO-, oxalate, succinate, Na+, NH4+, K+, Mg2+ and Ca2+) found in PM10 samples (particulate matter less than 10 mm in diameter) São Paulo City, Brazil, (April 2003-May 2004). Higher atmospheric levels were found for SO4(2-), NO3-, Cl- and PO4(3-) while the main organic anions were oxalate and formate. Atmospheric levels for elements were: Fe > Al > Ca > K > Na > Mg > Zn > Cu > Pb. Some sources were predominant for some species: (i) fuel burning and/or biomass burning (NO3-, HCOO-, C2O4(2-), K+, Mg2+, Ca2+, Fe, Pb, Zn, Al, Ca, K and Mg), (ii) gas-to-particle conversion (SO4(2-) and NH4+) and (iii) sea salt spray (Cl-, Na+ and Na).

Overview of the South American Biomass burning analysis (SAMBBA) field experiment.

Biomass burning represents one of the largest sources of particulate matter to the atmosphere, which results in a significant perturbation to the Earth’s radiative balance coupled with serious negative impacts on public health. Globally, biomass burning aerosols are thought to exert a small warming effect of 0.03 Wm-2, however the uncertainty is 4 times greater than the central estimate. On regional scales, the impact is substantially greater, particularly in areas such as the Amazon Basin where large, intense and frequent burning occurs on an annual basis for several months (usually from August-October). Furthermore, a growing number of people live within the Amazon region, which means that they are subject to the deleterious effects on their health from exposure to substantial volumes of polluted air. Initial results from the South American Biomass Burning Analysis (SAMBBA) field experiment, which took place during September and October 2012 over Brazil, are presented here. A suite of instrumentation was flown on-board the UK Facility for Airborne Atmospheric Measurement (FAAM) BAe-146 research aircraft and was supported by ground based measurements, with extensive measurements made in Porto Velho, Rondonia. The aircraft sampled a range of conditions with sampling of fresh biomass burning plumes, regional haze and elevated biomass burning layers within the free troposphere. The physical, chemical and optical properties of the aerosols across the region will be characterized in order to establish the impact of biomass burning on regional air quality, weather and climate.

Chemistry of aerosol particles and fog droplets during fall-winter season in the Po Valley

Air quality represents a key issue in the so-called pollution “hot spots”: environments in which anthropogenic sources are concentrated and dispersion of pollutants is limited. One of these environments, the Po Valley, normally experiences exceedances of PM10 and PM2.5 concentration limits, especially in winter when the ventilation of the lower layers of the atmosphere is reduced. This thesis provides a highlight of the chemical properties of particulate matter and fog droplets in the Po Valley during the cold season, when fog occurrence is very frequent. Fog-particles interactions were investigated with the aim to determine their impact on the regional air quality. Size-segregated aerosol samples were collected in Bologna, urban site, and San Pietro Capofiume (SPC), rural site, during two campaigns (November 2011; February 2013) in the frame of Supersito project. The comparison between particles size-distribution and chemical composition in both sites showed the relevant contribution of the regional background and secondary processes in determining the Po Valley aerosol concentration. Occurrence of fog in November 2011 campaign in SPC allowed to investigate the role of fog formation and fog chemistry in the formation, processing and deposition of PM10. Nucleation scavenging was investigated with relation to the size and the chemical composition of particles. We found that PM1 concentration is reduced up to 60% because of fog scavenging. Furthermore, aqueous-phase secondary aerosol formation mechanisms were investigated through time-resolved measurements. In SPC fog samples have been systematically collected and analysed since the nineties; a 20 years long database has been assembled. This thesis reports for the first time the results of this long time series of measurements, showing a decrease of sulphate and nitrate concentration and an increase of pH that reached values close to neutrality. A detailed discussion about the occurred changes in fog water composition over two decades is presented.

Origin and variability of PM10 and atmospheric radiotracers at the WMO-GAW station of Mt. Cimone (1998-2011) and in the central Po Valley

Particulate matter is one of the main atmospheric pollutants, with a great chemical-environmental relevance. Improving knowledge of the sources of particulate matter and of their apportionment is needed to handle and fulfill the legislation regarding this pollutant, to support further development of air policy as well as air pollution management. Various instruments have been used to understand the sources of particulate matter and atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone (44.18° N, 10.7° E, 2165 m asl), hosting a global WMO-GAW station. Thanks to its characteristics, this location is suitable investigate the regional and long-range transport of polluted air masses on the background Southern-Europe free-troposphere. In particular, PM10 data sampled at the station in the period 1998-2011 were analyzed in the framework of the main meteorological and territorial features. A receptor model based on back trajectories was applied to study the source regions of particulate matter. Simultaneous measurements of atmospheric radionuclides Pb-210 and Be-7 acquired together with PM10 have also been analysed to acquire a better understanding of vertical and horizontal transports able to affect atmospheric composition. Seasonal variations of atmospheric radiotracers have been studied both analysing the long-term time series acquired at the measurement site as well as by means of a state-of-the-art global 3-D chemistry and transport model. Advection patterns characterizing the circulation at the site have been identified by means of clusters of back-trajectories. Finally, the results of a source apportionment study of particulate matter carried on in a midsize town of the Po Valley (actually recognised as one of the most polluted European regions) are reported. An approach exploiting different techniques, and in particular different kinds of models, successfully achieved a characterization of the processes/sources of particulate matter at the two sites, and of atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone.

Entwicklung und Anwendung von mobilen Messstrategien und Analysemethoden zur Untersuchung urbanen Aerosols

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte beeinflussen die Menschen ihre Umwelt. Durch anthropogene Emissionen ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, was einen zunehmenden Einfluss unter anderem auf die Atmosphärenchemie, die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna und das Klima hat. Die steigende Anzahl riesiger, wachsender Metropolen geht einher mit einer räumlichen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen, was vor allem einen Einfluss auf die Luftqualität der windabwärts gelegenen ruralen Regionen hat. In dieser Doktorarbeit wurde im Rahmen des MEGAPOLI-Projektes die Abluftfahne der Megastadt Paris unter Anwendung des mobilen Aerosolforschungslabors MoLa untersucht. Dieses ist mit modernen, zeitlich hochauflösenden Instrumenten zur Messung der chemischen Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosolpartikel sowie einiger Spurengase ausgestattet. Es wurden mobile Messstrategien entwickelt und angewendet, die besonders geeignet zur Charakterisierung urbaner Emissionen sind. Querschnittsmessfahrten durch die Abluftfahne und atmosphärische Hintergrundluftmassen erlaubten sowohl die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne als auch die Berechnung des Beitrags der urbanen Emissionen zur Gesamtbelastung der Atmosphäre. Quasi-Lagrange’sche Radialmessfahrten dienten der Erkundung der räumlichen Erstreckung der Abluftfahne sowie auftretender Transformationsprozesse der advehierten Luftschadstoffe. In Kombination mit Modellierungen konnte die Struktur der Abluftfahne vertieft untersucht werden. Flexible stationäre Messungen ergänzten den Datensatz und ließen zudem Vergleichsmessungen mit anderen Messstationen zu. Die Daten einer ortsfesten Messstation wurden zusätzlich verwendet, um die Alterung des organischen Partikelanteils zu beschreiben. Die Analyse der mobilen Messdaten erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Bereinigung des Datensatzes von lokalen Störeinflüssen. Des Weiteren wurden die Möglichkeiten, Grenzen und Fehler bei der Anwendung komplexer Analyseprogramme zur Berechnung des O/C-Verhältnisses der Partikel sowie der Klassifizierung der Aerosolorganik untersucht. Eine Validierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Luftmassenherkunft war für die Auswertung ebenfalls notwendig. Die detaillierte Untersuchung der Abluftfahne von Paris ergab, dass diese sich anhand der Erhöhung der Konzentrationen von Indikatoren für unprozessierte Luftverschmutzung im Vergleich zu Hintergrundwerten identifizieren lässt. Ihre eher homogene Struktur kann zumeist durch eine Gauß-Form im Querschnitt mit einem exponentiellen Abfall der unprozessierten Schadstoffkonzentrationen mit zunehmender Distanz zur Stadt beschrieben werden. Hierfür ist hauptsächlich die turbulente Vermischung mit Umgebungsluftmassen verantwortlich. Es konnte nachgewiesen werden, dass in der advehierten Abluftfahne eine deutliche Oxidation der Aerosolorganik im Sommer stattfindet; im Winter hingegen ließ sich dieser Prozess während der durchgeführten Messungen nicht beobachten. In beiden Jahreszeiten setzt sich die Abluftfahne hauptsächlich aus Ruß und organischen Partikelkomponenten im PM1-Größenbereich zusammen, wobei die Quellen Verkehr und Kochen sowie zusätzlich Heizen in der kalten Jahreszeit dominieren. Die PM1-Partikelmasse erhöhte sich durch die urbanen Emissionen im Vergleich zum Hintergrundwert im Sommer in der Abluftfahne im Mittel um 30% und im Winter um 10%. Besonders starke Erhöhungen ließen sich für Polyaromaten beobachten, wo im Sommer eine mittlere Zunahme von 194% und im Winter von 131% vorlag. Jahreszeitliche Unterschiede waren ebenso in der Größenverteilung der Partikel der Abluftfahne zu finden, wo im Winter im Gegensatz zum Sommer keine zusätzlichen nukleierten kleinen Partikel, sondern nur durch Kondensation und Koagulation angewachsene Partikel zwischen etwa 10nm und 200nm auftraten. Die Spurengaskonzentrationen unterschieden sich ebenfalls, da chemische Reaktionen temperatur- und mitunter strahlungsabhängig sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des MoLa wurden bei einer Überführungsfahrt von Deutschland an die spanische Atlantikküste demonstriert, woraus eine Kartierung der Luftqualität entlang der Fahrtroute resultierte. Es zeigte sich, dass hauptsächlich urbane Ballungszentren von unprozessierten Luftschadstoffen betroffen sind, advehierte gealterte Substanzen jedoch jede Region beeinflussen können. Die Untersuchung der Luftqualität an Standorten mit unterschiedlicher Exposition bezüglich anthropogener Quellen erweiterte diese Aussage um einen Einblick in die Variation der Luftqualität, abhängig unter anderem von der Wetterlage und der Nähe zu Emissionsquellen. Damit konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelten Messstrategien und Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung der Abluftfahne einer Großstadt, sondern auch auf verschiedene andere wissenschaftliche und umweltmesstechnische Fragestellungen anwenden lassen.

Chemische und physikalische Charakterisierung von Aerosolpartikeln aus besonderen anthropogenen Emissionsquellen : ein integrativer Ansatz mittels online (HR-ToF-AMS)- und komplementärer offline (ATR-FTIR-Spektroskopie)-Analytik

Die Gesundheitseffekte von Aerosolpartikeln werden stark von ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften und somit den jeweiligen Bildungsprozessen und Quellencharakteristika beeinflusst. Während die Hauptquellen der anthropogenen Partikelemissionen gut untersucht sind, stellen die spezifischen Emissionsmuster zahlreicher kleiner Aerosolquellen, welche lokal und temporär zu einer signifikanten Verschlechterung der Luftqualität beitragen können, ein Forschungsdesiderat dar.rnIn der vorliegenden Arbeit werden in kombinierten Labor- und Feldmessungen durch ein integratives Analysekonzept mittels online (HR-ToF-AMS ) und filterbasierter offline (ATR-FTIR-Spektroskopie ) Messverfahren die weitgehend unbekannten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Emissionen besonderer anthropogener Aerosolquellen untersucht. Neben einem Fußballstadion als komplexe Mischung verschiedener Aerosolquellen wie Frittieren und Grillen, Zigarettenrauchen und Pyrotechnik werden die Emissionen durch Feuerwerkskörper, landwirtschaftliche Intensivtierhaltung (Legehennen), Tief- und Straßenbauarbeiten sowie abwasserbürtige Aerosolpartikel in die Studie mit eingebunden. Die primären Partikelemissionen der untersuchten Quellen sind vorrangig durch kleine Partikelgrößen (dp < 1 µm) und somit eine hohe Lungengängigkeit gekennzeichnet. Dagegen zeigen die Aerosolpartikel im Stall der landwirtschaftlichen Intensivtierhaltung sowie die Emissionen durch die Tiefbauarbeiten einen hohen Masseanteil von Partikeln dp > 1 µm. Der Fokus der Untersuchung liegt auf der chemischen Charakterisierung der organischen Partikelbestandteile, welche für viele Quellen die NR-PM1-Emissionen dominieren. Dabei zeigen sich wichtige quellenspezifische Unterschiede in der Zusammensetzung der organischen Aerosolfraktion. Die beim Abbrand von pyrotechnischen Gegenständen freigesetzten sowie die abwasserbürtigen Aerosolpartikel enthalten dagegen hohe relative Gehalte anorganischer Substanzen. Auch können in einigen spezifischen Emissionen Metallverbindungen in den AMS-Massenspektren nachgewiesen werden. Über die Charakterisierung der Emissionsmuster und -dynamiken hinaus werden für einige verschiedenfarbige Rauchpatronen sowie die Emissionen im Stall der Intensivtierhaltung Emissionsfaktoren bestimmt, die zur quantitativen Bilanzierung herangezogen werden können. In einem weiteren Schritt werden anhand der empirischen Daten die analytischen Limitierungen der Aerosolmassenspektrometrie wie die Interferenz organischer Fragmentionen durch (Hydrogen-)Carbonate und mögliche Auswertestrategien zur Überwindung dieser Grenzen vorgestellt und diskutiert.rnEine umfangreiche Methodenentwicklung zur Verbesserung der analytischen Aussagekraft von organischen AMS-Massenspektren zeigt, dass für bestimmte Partikeltypen einzelne Fragmentionen in den AMS-Massenspektren signifikant mit ausgewählten funktionellen Molekülgruppen der FTIR-Absorptionsspektren korrelieren. Bedingt durch ihre fehlende Spezifität ist eine allgemeingültige Interpretation von AMS-Fragmentionen als Marker für verschiedene funktionelle Gruppen nicht zulässig und häufig nur durch die Ergebnisse der komplementären FTIR-Spektroskopie möglich. Des Weiteren wurde die Verdampfung und Ionisation ausgewählter Metallverbindungen im AMS analysiert. Die Arbeit verdeutlicht, dass eine qualitative und quantitative Auswertung dieser Substanzen nicht ohne Weiteres möglich ist. Die Gründe hierfür liegen in einer fehlenden Reproduzierbarkeit des Verdampfungs- und Ionisationsprozesses aufgrund von Matrixeffekten sowie der in Abhängigkeit vorangegangener Analysen (Verdampferhistorie) in der Ionisationskammer und auf dem Verdampfer statt-findenden chemischen Reaktionen.rnDie Erkenntnisse der Arbeit erlauben eine Priorisierung der untersuchten anthropogenen Quellen nach bestimmten Messparametern und stellen für deren Partikelemissionen den Ausgangpunkt einer Risikobewertung von atmosphärischen Folgeprozessen sowie potentiell negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit dar. rn

Species specific nitrogen isotope analysis by NanoSIMS

Der atmosphärische Kreislauf reaktiver Stickstoffverbindungen beschäftigt sowohl die Naturwissenschaftler als auch die Politik. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass reaktive Stickoxide die Bildung von bodennahem Ozon kontrollieren. Reaktive Stickstoffverbindungen spielen darüber hinaus als gasförmige Vorläufer von Feinstaubpartikeln eine wichtige Rolle und der Transport von reaktivem Stickstoff über lange Distanzen verändert den biogeochemischen Kohlenstoffkreislauf des Planeten, indem er entlegene Ökosysteme mit Stickstoff düngt. Die Messungen von stabilen Stickstoffisotopenverhältnissen (15N/14N) bietet ein Hilfsmittel, welches es erlaubt, die Quellen von reaktiven Stickstoffverbindungen zu identifizieren und die am Stickstoffkeislauf beteiligten Reaktionen mithilfe ihrer reaktionsspezifischen Isotopenfraktionierung genauer zu untersuchen. rnIn dieser Doktorarbeit demonstriere ich, dass es möglich ist, mit Hilfe von Nano-Sekundärionenmassenspektrometrie (NanoSIMS) verschiedene stickstoffhaltige Verbindungen, die üblicherweise in atmosphärischen Feinstaubpartikeln vorkommen, mit einer räumlichen Auflösung von weniger als einem Mikrometer zu analysieren und zu identifizieren. Die Unterscheidung verschiedener stickstoffhaltiger Verbindungen erfolgt anhand der relativen Signalintensitäten der positiven und negativen Sekundärionensignale, die beobachtet werden, wenn die Feinstaubproben mit einem Cs+ oder O- Primärionenstrahl beschossen werden. Die Feinstaubproben können direkt auf dem Probenahmesubstrat in das Massenspektrometer eingeführt werden, ohne chemisch oder physikalisch aufbereited zu werden. Die Methode wurde Mithilfe von Nitrat, Nitrit, Ammoniumsulfat, Harnstoff, Aminosären, biologischen Feinstaubproben (Pilzsporen) und Imidazol getestet. Ich habe gezeigt, dass NO2 Sekundärionen nur beim Beschuss von Nitrat und Nitrit (Salzen) mit positiven Primärionen entstehen, während NH4+ Sekundärionen nur beim Beschuss von Aminosäuren, Harnstoff und Ammoniumsalzen mit positiven Primärionen freigesetzt werden, nicht aber beim Beschuss biologischer Proben wie z.B. Pilzsporen. CN- Sekundärionen werden beim Beschuss aller stickstoffhaltigen Verbindungen mit positiven Primärionen beobachtet, da fast alle Proben oberflächennah mit Kohlenstoffspuren kontaminiert sind. Die relative Signalintensität der CN- Sekundärionen ist bei kohlenstoffhaltigen organischen Stickstoffverbindungen am höchsten.rnDarüber hinaus habe ich gezeigt, dass an reinen Nitratsalzproben (NaNO3 und KNO3), welche auf Goldfolien aufgebracht wurden speziesspezifische stabile Stickstoffisotopenverhältnisse mithilfe des 15N16O2- / 14N16O2- - Sekundärionenverhältnisses genau und richtig gemessen werden können. Die Messgenauigkeit auf Feldern mit einer Rastergröße von 5×5 µm2 wurde anhand von Langzeitmessungen an einem hausinternen NaNO3 Standard als ± 0.6 ‰ bestimmt. Die Differenz der matrixspezifischen instrumentellen Massenfraktionierung zwischen NaNO3 und KNO3 betrug 7.1 ± 0.9 ‰. 23Na12C2- Sekundärionen können eine ernst zu nehmende Interferenz darstellen wenn 15N16O2- Sekundärionen zur Messung des nitratspezifischen schweren Stickstoffs eingesetzt werden sollen und Natrium und Kohlenstoff im selben Feinstaubpartikel als interne Mischung vorliegt oder die natriumhaltige Probe auf einem kohlenstoffhaltigen Substrat abgelegt wurde. Selbst wenn, wie im Fall von KNO3, keine derartige Interferenz vorliegt, führt eine interne Mischung mit Kohlenstoff im selben Feinstaubpartikel zu einer matrixspezifischen instrumentellen Massenfraktionierung die mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann: 15Nbias = (101 ± 4) ∙ f − (101 ± 3) ‰, mit f = 14N16O2- / (14N16O2- + 12C14N-). rnWird das 12C15N- / 12C14N- Sekundärionenverhältnis zur Messung der stabilen Stickstoffisotopenzusammensetzung verwendet, beeinflusst die Probematrix die Messungsergebnisse nicht, auch wenn Stickstoff und Kohlenstoff in den Feinstaubpartikeln in variablen N/C–Verhältnissen vorliegen. Auch Interferenzen spielen keine Rolle. Um sicherzustellen, dass die Messung weiterhin spezifisch auf Nitratspezies eingeschränkt bleibt, kann eine 14N16O2- Maske bei der Datenauswertung verwendet werden. Werden die Proben auf einem kohlenstoffhaltigen, stickstofffreien Probennahmesubstrat gesammelt, erhöht dies die Signalintensität für reine Nitrat-Feinstaubpartikel.

Characterization of Halyomorpha Halys (Brown Marmorated Stink Bug) Biogenic Volatile Organic Compound Emissions and Their Role in Secondary Organic Aerosol Formation

The formation of aerosols is a key component in understanding cloud formation in the context of radiative forcings and global climate modeling. Biogenic volatile organic compounds (BVOCs) are a significant source of aerosols, yet there is still much to be learned about their structures, sources, and interactions. The aims of this project were to identify the BVOCs found in the defense chemicals of the brown marmorated stink bug Halymorpha halys and quantify them using gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) and test whether oxidation of these compounds by ozone-promoted aerosol and cloud seed formation. The bugs were tested under two conditions: agitation by asphyxiation and direct glandular exposure. Tridecane, 2(5H)-furanone 5-ethyl, and (E)-2-decenal were identified as the three most abundant compounds. H. halys were also tested in the agitated condition in a smog chamber. It was found that in the presence of 100-180 ppm ozone, secondary aerosols do form. A scanning mobility particle sizer (SMPS) and a cloud condensation nuclei counter (CCNC) were used to characterize the secondary aerosols that formed. This reaction resulted in 0.23 mu g/bug of particulate mass. It was also found that these secondary organic aerosol particles could act as cloud condensation nuclei. At a supersaturation of 1%, we found a kappa value of 0.09. Once regional populations of these stink bugs stablilize and the populations estimates can be made, the additional impacts of their contribution to regional air quality can be calculated. Implications: Halymorpha halys (brown marmorated stink bugs) are a relatively new invasive species introduced in the United States near Allentown, Pennsylvania. The authors chemically speciated the bugs' defense pheromones and found that tridecane, 5-ethyl-2(5H)-furanone, and (E)-2-decenal dominated their emissions. Their defense emissions were reacted with atmospherically relevant concentrations of ozone and resulted in 0.23 g of particulate matter per emission per bug. Due to the large population of these bugs in some regions, these emissions could contribute appreciably to a region's PM2.5 (particulate matter with an aerodynamic diameter 2.5 m) levels.

Matter III

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Modeling of diesel particulate filter filtration and regeneration for transient driving schedules

Due to their high thermal efficiency, diesel engines have excellent fuel economy and have been widely used as a power source for many vehicles. Diesel engines emit less greenhouse gases (carbon dioxide) compared with gasoline engines. However, diesel engines emit large amounts of particulate matter (PM) which can imperil human health. The best way to reduce the particulate matter is by using the Diesel Particulate Filter (DPF) system which consists of a wall-flow monolith which can trap particulates, and the DPF can be periodically regenerated to remove the collected particulates. The estimation of the PM mass accumulated in the DPF and total pressure drop across the filter are very important in order to determine when to carry out the active regeneration for the DPF. In this project, by developing a filtration model and a pressure drop model, we can estimate the PM mass and the total pressure drop, then, these two models can be linked with a regeneration model which has been developed previously to predict when to regenerate the filter. There results of this project were: 1 Reproduce a filtration model and simulate the processes of filtration. By studying the deep bed filtration and cake filtration, stages and quantity of mass accumulated in the DPF can be estimated. It was found that the filtration efficiency increases faster during the deep-bed filtration than that during the cake filtration. A “unit collector” theory was used in our filtration model which can explain the mechanism of the filtration very well. 2 Perform a parametric study on the pressure drop model for changes in engine exhaust flow rate, deposit layer thickness, and inlet temperature. It was found that there are five primary variables impacting the pressure drop in the DPF which are temperature gradient along the channel, deposit layer thickness, deposit layer permeability, wall thickness, and wall permeability. 3 Link the filtration model and the pressure drop model with the regeneration model to determine the time to carry out the regeneration of the DPF. It was found that the regeneration should be initiated when the cake layer is at a certain thickness, since a cake layer with either too big or too small an amount of particulates will need more thermal energy to reach a higher regeneration efficiency. 4 Formulate diesel particulate trap regeneration strategies for real world driving conditions to find out the best desirable conditions for DPF regeneration. It was found that the regeneration should be initiated when the vehicle’s speed is high and during which there should not be any stops from the vehicle. Moreover, the regeneration duration is about 120 seconds and the inlet temperature for the regeneration is 710K.