Experimental and numerical analyses about the efficiency of flow through devices for the sediment controll in urban runoff

As land is developed, the impervious surfaces that are created increase the amount of runoff during rainfall events, disrupting the natural hydrologic cycle, with an increment in volume of runoff and in pollutant loadings. Pollutants deposited or derived from an activity on the land surface will likely end up in stormwater runoff in some concentration, such as nutrients, sediment, heavy metals, hydrocarbons, gasoline additives, pathogens, deicers, herbicides and pesticides. Several of these pollutants are particulate-bound, so it appears clear that sediment removal can provide significant water-quality improvements and it appears to be important the knowledge of the ability of stromwater treatment devices to retain particulate matter. For this reason three different units which remove sediments have been tested through laboratory. In particular a roadside gully pot has been tested under steady hydraulic conditions, varying the characteristics of the influent solids (diameter, particle size distribution and specific gravity). The efficiency in terms of particles retained has been evaluated as a function of influent flow rate and particles characteristics; results have been compared to efficiency evaluated applying an overflow rate model. Furthermore the role of particles settling velocity in efficiency determination has been investigated. After the experimental runs on the gully pot, a standard full-scale model of an hydrodynamic separator (HS) has been tested under unsteady influent flow rate condition, and constant solid concentration at the input. The results presented in this study illustrate that particle separation efficiency of the unit is predominately influenced by operating flow rate, which strongly affects the particles and hydraulic residence time of the system. The efficiency data have been compared to results obtained from a modified overflow rate model; moreover the residence time distribution has been experimentally determined through tracer analyses for several steady flow rates. Finally three testing experiments have been performed for two different configurations of a full-scale model of a clarifier (linear and crenulated) under unsteady influent flow rate condition, and constant solid concentration at the input. The results illustrate that particle separation efficiency of the unit is predominately influenced by the configuration of the unit itself. Turbidity measures have been used to compare turbidity with the suspended sediments concentration, in order to find a correlation between these two values, which can allow to have a measure of the sediments concentration simply installing a turbidity probe.

Entwicklung und Anwendung massenspektrometrischer Methoden zur Spurenanalytik iodhaltiger Verbindungen und aliphatischer Amine in der marinen Umwelt

In der marinen Grenzschicht beeinflussen reaktive Iodspezies wie z.B. I2 sowie aliphatische Amine eine Vielzahl atmosphärischer Prozesse, vor allem bei der Partikelneubildung spielen sie eine entscheidende Rolle. Allerdings stellt die Quantifizierung dieser Verbindungen im Spurenbereich immer noch eine große analytische Herausforderung dar. rnAus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit das GTRAP-AMS (Gaseous compound trapping in artificially generated particles – aerosol mass spectrometry) entwickelt, um gasförmiges I2 und aliphatische Amine zu bestimmen. Hierbei wird ein Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (ToF-AMS), das ursprünglich für die on-line Charakterisierung von Aerosolen entwickelt wurde, mit einer GTRAP-Einheit gekoppelt. Im Fall von I2 werden mit Hilfe eines pneumatischen Zerstäubers a-Cyclodextrin/NH4Br-Partikel erzeugt, die mit dem gasförmigen I2 innerhalb der GTRAP-Einheit eine Einschlussverbindung bilden und dieses dadurch selektiv in die Partikelphase aufnehmen. Für die on-line Bestimmung gasförmiger aliphatischer Amine dagegen wurde Phosphorsäure als partikulärer Reaktionspartner eingesetzt. Nach Optimierung des GTRAP-AMS Systems wurde sowohl für I2 als auch für die aliphatischen Amine eine Nachweisgrenze im sub-ppb-Bereich für eine Zeitauflösung zwischen 1 und 30 min erhalten. Als erstes wurde das GTRAP-AMS System zur Charakterisierung von Permanentdenudern eingesetzt, um deren I2-Aufnahmefähigkeit und Wiederverwendbarkeit im Vergleich zu den herkömmlichen einmal verwendbaren a-Cyclodextrin Denudern zu testen.rnIm Anschluss daran wurde das GTRAP-AMS für die Bestimmung zeitlich aufgelöster I2- Emissionsraten ausgewählter Makroalgen unter dem Einfluss von Ozon eingesetzt. Die Kenntnis der Emissionsraten iodhaltiger Verbindungen der wichtigsten weltweit vorkommenden Makroalgen ist für die Modellierung der Iodchemie in der marinen Grenzschicht von besonderer Bedeutung. Die Resultate zeigen, dass verschiedene Makroalgen sowohl unterschiedliche zeitlich aufgelöste I2-Emissionsprofile als auch Gesamtemissionsraten liefern. Im Vergleich zu den iodorganischen Verbindungen ist die Gesamtemissionsrate an I2 allerdings eine bis zwei Größenordnungen größer. Dies und die deutlich kürzere atmosphärische Lebensdauer von I2 im Vergleich zu den iodorganischen Verbindungen führen dazu, dass I2 die dominierende iodhaltige Verbindung für die Bildung reaktiver Iodatome in der marinen Grenzschicht ist. rnDa über dem tropischen Atlantischen Ozean bislang jedoch nur ein geringer Anteil der IO-Konzentration durch die Oxidation von iodorganischen Verbindungen erklärt werden kann, wurden weitere Quellen für I2 erforscht. Deshalb wurden Kammerexperimente mit Mikrolagen durchgeführt, um deren Einfluss auf die I2-Freisetzung in die Atmosphäre zu untersuchen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit von Mikroalgen (z.B. Coscinodiscus Wailesii) im Meerwasser zu einer erhöhten Freisetzung von I2 aus dem Meerwasser in die Atmosphäre führen kann. rnDes Weiteren wurden auch Versuche zu abiotischen Bildungswegen von I2 durchgeführt. Die Ergebnisse der Atmosphärensimulationsexperimente haben gezeigt, dass partikuläre Iodoxide durch organische Verbindungen zu I2 reduziert werden können, welches im Anschluss von der Partikelphase in die Gasphase übergehen kann und dort wieder für Gasphasenprozesse zur Verfügung steht.rn

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.

Mineral dust mobilisation, transport, and deposition in different climate epochs

Mineral dust is an important component of the Earth's climate system and provides essential nutrientsrnto oceans and rain forests. During atmospheric transport, dust particles directly and indirectly influencernweather and climate. The strength of dust sources and characteristics of the transport, in turn, mightrnbe subject to climatic changes. Earth system models help for a better understanding of these complexrnmechanisms.rnrnThis thesis applies the global climate model ECHAM5/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) for simulationsrnof the mineral dust cycle under different climatic conditions. The prerequisite for suitable modelrnresults is the determination of the model setup reproducing the most realistic dust cycle in the recentrnclimate. Simulations with this setup are used to gain new insights into properties of the transatlanticrndust transport from Africa to the Americas and adaptations of the model's climate forcing factors allowrnfor investigations of the impact of climatic changes on the dust cycle.rnrnIn the first part, the most appropriate model setup is determined through a number of sensitivity experiments.rnIt uses the dust emission parametrisation from Tegen et al. 2002 and a spectral resolutionrnof T85, corresponding to a horizontal grid spacing of about 155 km. Coarser resolutions are not able tornaccurately reproduce emissions from important source regions such as the Bodele Depression in Chad orrnthe Taklamakan Desert in Central Asia. Furthermore, the representation of ageing and wet deposition ofrndust particles in the model requires a basic sulphur chemical mechanism. This setup is recommended forrnfuture simulations with EMAC focusing on mineral dust.rnrnOne major branch of the global dust cycle is the long-range transport from the world's largest dustrnsource, the Sahara, across the Atlantic Ocean. Seasonal variations of the main transport pathways to thernAmazon Basin in boreal winter and to the Caribbean during summer are well known and understood,rnand corroborated in this thesis. Both Eulerian and Lagrangian methods give estimates on the typicalrntransport times from the source regions to the deposition on the order of nine to ten days. Previously, arnhuge proportion of the dust transported across the Atlantic Ocean has been attributed to emissions fromrnthe Bodele Depression. However, the contribution of this hot spot to the total transport is very low inrnthe present results, although the overall emissions from this region are comparable. Both model resultsrnand data sets analysed earlier, such as satellite products, involve uncertainties and this controversy aboutrndust transport from the Bodele Depression calls for future investigations and clarification.rnrnAforementioned characteristics of the transatlantic dust transport just slightly change in simulationsrnrepresenting climatic conditions of the Little Ice Age in the middle of the last millennium with meanrnnear-surface cooling of 0.5 to 1 K. However, intensification of the West African summer monsoon duringrnthe Little Ice Age is associated with higher dust emissions from North African source regions and wetterrnconditions in the Sahel. Furthermore, the Indian Monsoon and dust emissions from the Arabian Peninsula,rnwhich are affected by this circulation, are intensified during the Little Ice Age, whereas the annual globalrndust budget is similar in both climate epochs. Simulated dust emission fluxes are particularly influencedrnby the surface parameters. Modifications of the model do not affect those in this thesis, to be able tornascribe all differences in the results to changed forcing factors, such as greenhouse gas concentrations.rnDue to meagre comparison data sets, the verification of results presented here is problematic. Deeperrnknowledge about the dust cycle during the Little Ice Age can be obtained by future simulations, based onrnthis work, and additionally using improved reconstructions of surface parameters. Better evaluation ofrnsuch simulations would be possible by refining the temporal resolution of reconstructed dust depositionrnfluxes from existing ice and marine sediment cores.

Stationary in-situ measurements of aerosols, gaseous pollutants and meteorology : chemical and physical characterization of natural and anthropogenic sources

Natural and anthropogenic emissions of gaseous and particulate matter affect the chemical composition of the atmosphere, impact visibility, air quality, clouds and climate. Concerning climate, a comprehensive characterization of the emergence, composition and transformation of aerosol particles is relevant as their influence on the radiation budget is still rarely understood. Regarding air quality and therefore human health, the formation of atmospheric aerosol particles is of particular importance as freshly formed, small particles penetrate into the human alveolar region and can deposit. Additionally, due to the long residence times of aerosol particles in the atmosphere it is crucial to examine their chemical and physical characteristics.This cumulative dissertation deals with stationary measurements of particles, trace gases and meteorological parameters during the DOMINO (Diel Oxidant Mechanism In relation to Nitrogen Oxide) campaign at the southwest coast of Spain in November/December 2008 and the ship emission campaign on the banks of the Elbe in Freiburg/Elbe in April 2011. Measurements were performed using the Mobile research Laboratory “MoLa” which is equipped with state-of-the-art aerosol particle and trace gas instruments as well as a meteorological station.

Einsatz eines Aerosolmassenspektrometers während der CYPHEX-Kampagne und zur Methodenentwicklung einer Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine

Atmosphärische Aerosole haben einen starken Einfluss auf das Klima, der bisher nur grundlegend verstanden ist und weiterer Forschung bedarf. Das atmosphärische Verhalten der Aerosolpartikel hängt maßgeblich von ihrer Größe und chemischen Zusammensetzung ab. Durch Reflexion, Absorption und Streuung des Sonnenlichtes verändern sie den Strahlungshaushalt der Erde direkt und durch ihre Einflussnahme auf die Wolkenbildung indirekt. Besonders gealterte, stark oxidierte organische Aerosole mit großem Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis wirken als effektive Wolkenkondensationskeime. Neben primären Aerosolpartikeln, die direkt partikelförmig in die Atmosphäre gelangen, spielen sekundäre Aerosolpartikel eine große Rolle, die aus Vorläufergasen in der Atmosphäre entstehen. Aktuelle Forschungsergebnisse legen nahe, dass kurzkettige aliphatische Amine bei Nukleationsprozessen beteiligt sind und somit die Partikelneubildung vielerorts mitsteuern. Um die Rolle von Aminen in der Atmosphäre besser erforschen und industrielle Emissionen kontrollieren zu können, bedarf es einer zuverlässigen Methode zur Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine mit hoher Zeitauflösung und niedriger Nachweisgrenze.rnDas hochauflösende Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (HR-ToF-AMS) bietet die Möglichkeit, atmosphärische Partikel in Echtzeit zu analysieren. Dabei werden Größe, Menge und grundlegende chemische Zusammensetzung erfasst. Anorganische Aerosolbestandteile können eindeutig zugeordnet werden. Es ist jedoch kaum möglich, einzelne organische Verbindungen in den komplizierten Massenspektren atmosphärischer Aerosole zu identifizieren und quantifizieren.rnIn dieser Arbeit wird atmosphärisches Aerosol untersucht, das im Westen Zyperns während der CYPHEX-Kampagne mit einem HR-ToF-AMS gemessen wurde. An diesem Standort ist vor allem stark gealtertes Aerosol vorzufinden, das aus Zentral- und Westeuropa stammt. Lokale Einflüsse spielen fast keine Rolle. Es wurde eine durchschnittliche Massenkonzentration von 10,98 μg/m3 gefunden, zusammengesetzt aus 57 % Sulfat, 30 % organischen Bestandteilen, 12 % Ammonium, < 1 % Nitrat und < 1 % Chlorid, bezogen auf das Gewicht. Der Median des vakuum-aerodynamischen Durchmessers betrug 446,25 nm. Es wurde sehr acides Aerosol gefunden, dessen anorganische Bestandteile weitgehend der Zusammensetzung von Ammoniumhydrogensulfat entsprachen. Tag-Nacht-Schwankungen in der Zusammensetzung wurden beobachtet. Die Sulfatkonzentration und die Acidität zeigten tagsüber Maxima und nachts Minima. Konzentrationsschwankungen an Nitrat und Chlorid zeigten einen weniger ausgeprägten Rhythmus, Maxima fallen aber immer mit Minima der Sulfatkonzentration, Aerosolacidität und Umgebungstemperatur zusammen. Organische Aerosolbestandteile entsprachen stark gealtertem, schwerflüchtigem oxidiertem organischem Aerosol. Es wurde eine interne Mischung der Partikel beobachtet, die ebenfalls meist bei alten Aerosolen auftritt.rnUm mit dem HR-ToF-AMS auch einzelne organische Verbindungen identifizieren und quantifizieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, mit der man Amine der Gasphase selektiv in künstlich erzeugte Phosphorsäurepartikel aufnimmt und so für die HR-ToF-AMS-Messung zugänglich macht. Dadurch kombiniert man die Vorteile der Online-Messung des HR-ToF-AMS mit den Vorteilen klassischer Offline-Probenahmen. So können in Echtzeit sehr einfache Massenspektren gemessen werden, in denen störende Komponenten abgetrennt sind, während die Analyten eindeutig identifiziert werden können. Systeme dieser Art wurden GTRAP-AMS (Gaseous compound TRapping in Artificially-generated Particles – Aerosol Mass Spectrometry) genannt. Kalibrierungen für (Mono)Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, Diethylamin und Triethylamin ergaben Nachweisgrenzen im ppt-Bereich bei einer Zeitauflösung von 3 min. Kammerexperimente zur Aminemission von Pflanzen zeigten eine gute Übereinstimmung des neu entwickelten Systems mit einer Gasdiffusionsabscheider-Offline-Probenahme und anschließender ionenchromatographischer Analyse. Beide Methoden zeigten Reaktionen der Pflanzen auf eine Veränderung der Lichtverhältnisse, während erhöhte Ozonkonzentrationen die Aminemission nicht veränderten. Die GTRAP-AMS-Methode eignet sich bereits für die Messung von Umgebungsluftkonzentrationen an einigen Orten, für die meisten Orte reicht die Nachweisgrenze allerdings noch nicht aus. Die Technik könnte bereits zur Echtzeitkontrolle industrieller Abgasemissionen eingesetzt werden.

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

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.

Locally generated particulate pollution and respiratory symptoms in young children

BACKGROUND: Particulate matter <10 mum (PM(10)) from fossil fuel combustion is associated with an increased prevalence of respiratory symptoms in children and adolescents. However, the effect of PM(10) on respiratory symptoms in young children is unclear. METHODS: The association between primary PM(10) (particles directly emitted from local sources) and the prevalence and incidence of respiratory symptoms was studied in a random sample cohort of 4400 Leicestershire children aged 1-5 years surveyed in 1998 and again in 2001. Annual exposure to primary PM(10) was calculated for the home address using the Airviro dispersion model and adjusted odds ratios (ORS) and 95% confidence intervals were calculated for each microg/m(3) increase. RESULTS: Exposure to primary PM(10) was associated with the prevalence of cough without a cold in both 1998 and 2001, with adjusted ORs of 1.21 (1.07 to 1.38) and 1.56 (1.32 to 1.84) respectively. For night time cough the ORs were 1.06 (0.94 to 1.19) and 1.25 (1.06 to 1.47), and for current wheeze 0.99 (0.88 to 1.12) and 1.28 (1.04 to 1.58), respectively. There was also an association between primary PM(10) and new onset symptoms. The ORs for incident symptoms were 1.62 (1.31 to 2.00) for cough without a cold and 1.42 (1.02 to 1.97) for wheeze. CONCLUSION: In young children there was a consistent association between locally generated primary PM(10) and the prevalence and incidence of cough without a cold and the incidence of wheeze which was independent of potential confounders.

Experimental and modeling study of the filtration and oxidation characteristics of a diesel oxidation catalyst and a catalyzed particulate filter

A diesel oxidation catalyst (DOC) with a catalyzed diesel particulate filter (CPF) is an effective exhaust aftertreatment device that reduces particulate emissions from diesel engines, and properly designed DOC-CPF systems provide passive regeneration of the filter by the oxidation of PM via thermal and NO2/temperature-assisted means under various vehicle duty cycles. However, controlling the backpressure on engines caused by the addition of the CPF to the exhaust system requires a good understanding of the filtration and oxidation processes taking place inside the filter as the deposition and oxidation of solid particulate matter (PM) change as functions of loading time. In order to understand the solid PM loading characteristics in the CPF, an experimental and modeling study was conducted using emissions data measured from the exhaust of a John Deere 6.8 liter, turbocharged and after-cooled engine with a low-pressure loop EGR system and a DOC-CPF system (or a CCRT® - Catalyzed Continuously Regenerating Trap®, as named by Johnson Matthey) in the exhaust system. A series of experiments were conducted to evaluate the performance of the DOC-only, CPF-only and DOC-CPF configurations at two engine speeds (2200 and 1650 rpm) and various loads on the engine ranging from 5 to 100% of maximum torque at both speeds. Pressure drop across the DOC and CPF, mass deposited in the CPF at the end of loading, upstream and downstream gaseous and particulate emissions, and particle size distributions were measured at different times during the experiments to characterize the pressure drop and filtration efficiency of the DOCCPF system as functions of loading time. Pressure drop characteristics measured experimentally across the DOC-CPF system showed a distinct deep-bed filtration region characterized by a non-linear pressure drop rise, followed by a transition region, and then by a cake-filtration region with steadily increasing pressure drop with loading time at engine load cases with CPF inlet temperatures less than 325 °C. At the engine load cases with CPF inlet temperatures greater than 360 °C, the deep-bed filtration region had a steep rise in pressure drop followed by a decrease in pressure drop (due to wall PM oxidation) in the cake filtration region. Filtration efficiencies observed during PM cake filtration were greater than 90% in all engine load cases. Two computer models, i.e., the MTU 1-D DOC model and the MTU 1-D 2-layer CPF model were developed and/or improved from existing models as part of this research and calibrated using the data obtained from these experiments. The 1-D DOC model employs a three-way catalytic reaction scheme for CO, HC and NO oxidation, and is used to predict CO, HC, NO and NO2 concentrations downstream of the DOC. Calibration results from the 1-D DOC model to experimental data at 2200 and 1650 rpm are presented. The 1-D 2-layer CPF model uses a ‘2-filters in series approach’ for filtration, PM deposition and oxidation in the PM cake and substrate wall via thermal (O2) and NO2/temperature-assisted mechanisms, and production of NO2 as the exhaust gas mixture passes through the CPF catalyst washcoat. Calibration results from the 1-D 2-layer CPF model to experimental data at 2200 rpm are presented. Comparisons of filtration and oxidation behavior of the CPF at sample load-cases in both configurations are also presented. The input parameters and selected results are also compared with a similar research work with an earlier version of the CCRT®, to compare and explain differences in the fundamental behavior of the CCRT® used in these two research studies. An analysis of the results from the calibrated CPF model suggests that pressure drop across the CPF depends mainly on PM loading and oxidation in the substrate wall, and also that the substrate wall initiates PM filtration and helps in forming a PM cake layer on the wall. After formation of the PM cake layer of about 1-2 µm on the wall, the PM cake becomes the primary filter and performs 98-99% of PM filtration. In all load cases, most of PM mass deposited was in the PM cake layer, and PM oxidation in the PM cake layer accounted for 95-99% of total PM mass oxidized during loading. Overall PM oxidation efficiency of the DOC-CPF device increased with increasing CPF inlet temperatures and NO2 flow rates, and was higher in the CCRT® configuration compared to the CPF-only configuration due to higher CPF inlet NO2 concentrations. Filtration efficiencies greater than 90% were observed within 90-100 minutes of loading time (starting with a clean filter) in all load cases, due to the fact that the PM cake on the substrate wall forms a very efficient filter. A good strategy for maintaining high filtration efficiency and low pressure drop of the device while performing active regeneration would be to clean the PM cake filter partially (i.e., by retaining a cake layer of 1-2 µm thickness on the substrate wall) and to completely oxidize the PM deposited in the substrate wall. The data presented support this strategy.

Study of the effect of biodiesel fuel on passive oxidation in a catalyzed particulate filter

A 2007 Cummins ISL 8.9L direct-injection common rail diesel engine rated at 272 kW (365 hp) and 317 kW (425 hp) was used to load the filter to 2.2 g/L and passively oxidize particulate matter (PM) within an aftertreatment system consisting of a diesel oxidation catalyst (DOC) and catalyzed particulate filter (CPF). The tests conducted with the engine rated at 365 hp used a 2007 DOC and CPF. The tests conducted with the engine rated at 425 hp used a 2010 DOC and 2007 CPF. Understanding the passive NO2 oxidation kinetics of PM within the CPF allows for reducing the frequency of active regenerations (hydrocarbon injection) and the associated fuel penalties. Modeling the passive oxidation of accumulated PM in the CPF will lead to creating accurate state estimation strategies. The MTU 1-D CPF model will be used to simulate data collected from this study to examine differences in the PM oxidation kinetics when soy methyl ester (SME) biodiesel is used as the source of fuel for the engine, and when the engine is operated at a higher power rating. A test procedure developed by Hutton et al. [1, 2] was modified to improve the ability to model the experimental data and provide additional insight into passively oxidized PM in a partially regenerated CPF. A test procedure was developed to allow PM oxidation rates by NO2 to be determined from engine test cell data. An experimental matrix consisting of CPF inlet temperatures from 250 to 450 °C with varying NOX/PM from 25 to 583and NO2/PM ratios from 5 to 240 was used. SME biodiesel was volumetrically blended with ULSD in 10% (B10) and 20% (B20) portions. This blended fuel was then used to evaluate the effect of biodiesel on passive oxidation rates. Four tests were performed with B10 and four tests with B20. Gathering data to determine the effect of fuel type (ULSD and biodiesel blends) on PM oxidation is the primary goal. The engine used for this testing was then configured to a higher power rating and one of the tests planned was performed. Additional testing is scheduled to take place with ULSD fuel to determine the affect the engine rating has on the PM oxidation. The experimental reaction rates during passive oxidation varied based upon the average CPF temperature, NO2 concentrations, and the NOX/PM ratios for each engine rating and with all fuels. The data analysis requires a high fidelity model that includes NO2 and thermal oxidation mechanisms and back diffusion to determine the details of the PM oxidation process.

Toxic effects of brake wear particles on epithelial lung cells in vitro

ABSTRACT: BACKGROUND: Fine particulate matter originating from traffic correlates with increased morbidity and mortality. An important source of traffic particles is brake wear of cars which contributes up to 20% of the total traffic emissions. The aim of this study was to evaluate potential toxicological effects of human epithelial lung cells exposed to freshly generated brake wear particles. RESULTS: An exposure box was mounted around a car's braking system. Lung cells cultured at the air-liquid interface were then exposed to particles emitted from two typical braking behaviours ("full stop" and "normal deceleration"). The particle size distribution as well as the brake emission components like metals and carbons was measured on-line, and the particles deposited on grids for transmission electron microscopy were counted. The tight junction arrangement was observed by laser scanning microscopy. Cellular responses were assessed by measurement of lactate dehydrogenase (cytotoxicity), by investigating the production of reactive oxidative species and the release of the pro-inflammatory mediator interleukin-8. The tight junction protein occludin density decreased significantly (p < 0.05) with increasing concentrations of metals on the particles (iron, copper and manganese, which were all strongly correlated with each other). Occludin was also negatively correlated with the intensity of reactive oxidative species. The concentrations of interleukin-8 were significantly correlated with increasing organic carbon concentrations. No correlation was observed between occludin and interleukin-8, nor between reactive oxidative species and interleukin-8. CONCLUSION: These findings suggest that the metals on brake wear particles damage tight junctions with a mechanism involving oxidative stress. Brake wear particles also increase pro-inflammatory responses. However, this might be due to another mechanism than via oxidative stress.

PM2.5-bound oxygenated PAHs, nitro-PAHs and parent-PAHs from the atmosphere of a Chinese megacity: seasonal variation, sources and cancer risk assessment

Polycyclic aromatic compounds (PACs) in air particulate matter contribute considerably to the health risk of air pollution. The objectives of this study were to assess the occurrence and variation in concentrations and sources of PM2.5-bound PACs [Oxygenated PAHs (OPAHs), nitro-PAHs and parent-PAHs] sampled from the atmosphere of a typical Chinese megacity (Xi'an), to study the influence of meteorological conditions on PACs and to estimate the lifetime excess cancer risk to the residents of Xi'an (from inhalation of PM2.5-bound PACs). To achieve these objectives, we sampled 24-h PM2.5 aerosols (once in every 6 days, from 5 July 2008 to 8 August 2009) from the atmosphere of Xi'an and measured the concentrations of PACs in them. The PM2.5-bound concentrations of Σcarbonyl-OPAHs, ∑ hydroxyl + carboxyl-OPAHs, Σnitro-PAHs and Σalkyl + parent-PAHs ranged between 5–22, 0.2–13, 0.3–7, and 7–387 ng m− 3, respectively, being markedly higher than in most western cities. This represented a range of 0.01–0.4% and 0.002–0.06% of the mass of organic C in PM2.5 and the total mass of PM2.5, respectively. The sums of the concentrations of each compound group had winter-to-summer ratios ranging from 3 to 8 and most individual OPAHs and nitro-PAHs had higher concentrations in winter than in summer, suggesting a dominant influence of emissions from household heating and winter meteorological conditions. Ambient temperature, air pressure, and wind speed explained a large part of the temporal variation in PACs concentrations. The lifetime excess cancer risk from inhalation (attributable to selected PAHs and nitro-PAHs) was six fold higher in winter (averaging 1450 persons per million residents of Xi'an) than in summer. Our results call for the development of emission control measures.

High secondary aerosol contribution to particulate pollution during haze events in China

Rapid industrialization and urbanization in developing countries has led to an increase in air pollution, along a similar trajectory to that previously experienced by the developed nations. In China, particulate pollution is a serious environmental problem that is influencing air quality, regional and global climates, and human health. In response to the extremely severe and persistent haze pollution experienced by about 800 million people during the first quarter of 2013 (refs 4, 5), the Chinese State Council announced its aim to reduce concentrations of PM2.5 (particulate matter with an aerodynamic diameter less than 2.5micrometres) by up to 25 per cent relative to 2012 levels by 2017 (ref. 6). Such efforts however require elucidation of the factors governing the abundance and composition of PM2.5, which remain poorly constrained in China. Here we combine a comprehensive set of novel and state-of-the-art offline analytical approaches and statistical techniques to investigate the chemical nature and sources of particulate matter at urban locations in Beijing, Shanghai, Guangzhou and Xi'an during January 2013. We find that the severe haze pollution event was driven to a large extent by secondary aerosol formation, which contributed 30-77 per cent and 44-71 per cent (average for all four cities) of PM2.5 and of organic aerosol, respectively. On average, the contribution of secondary organic aerosol (SOA) and secondary inorganic aerosol (SIA) are found to be of similar importance (SOA/SIA ratios range from 0.6 to 1.4). Our results suggest that, in addition to mitigating primary particulate emissions, reducing the emissions of secondary aerosol precursors from, for example, fossil fuel combustion and biomass burning is likely to be important for controlling China's PM2.5 levels and for reducing the environmental, economic and health impacts resulting from particulate pollution.

Effects of air pollution on asthma hospitalization rates in different age groups in metropolitan cities of Korea

Many studies have shown relationships between air pollution and the rate of hospital admissions for asthma. A few studies have controlled for age-specific effects by adding separate smoothing functions for each age group. However, it has not yet been reported whether air pollution effects are significantly different for different age groups. This lack of information is the motivation for this study, which tests the hypothesis that air pollution effects on asthmatic hospital admissions are significantly different by age groups. Each air pollutant's effect on asthmatic hospital admissions by age groups was estimated separately. In this study, daily time-series data for hospital admission rates from seven cities in Korea from June 1999 through 2003 were analyzed. The outcome variable, daily hospital admission rates for asthma, was related to five air pollutants which were used as the independent variables, namely particulate matter <10 micrometers (μm) in aerodynamic diameter (PM10), carbon monoxide (CO), ozone (O3), nitrogen dioxide (NO2), and sulfur dioxide (SO2). Meteorological variables were considered as confounders. Admission data were divided into three age groups: children (<15 years of age), adults (ages 15-64), and elderly (≥ 65 years of age). The adult age group was considered to be the reference group for each city. In order to estimate age-specific air pollution effects, the analysis was separated into two stages. In the first stage, Generalized Additive Models (GAMs) with cubic spline for smoothing were applied to estimate the age-city-specific air pollution effects on asthmatic hospital admission rates by city and age group. In the second stage, the Bayesian Hierarchical Model with non-informative prior which has large variance was used to combine city-specific effects by age groups. The hypothesis test showed that the effects of PM10, CO and NO2 were significantly different by age groups. Assuming that the air pollution effect for adults is zero as a reference, age-specific air pollution effects were: -0.00154 (95% confidence interval(CI)= (-0.0030,-0.0001)) for children and 0.00126 (95% CI = (0.0006, 0.0019)) for the elderly for PM 10; -0.0195 (95% CI = (-0.0386,-0.0004)) for children for CO; and 0.00494 (95% CI = (0.0028, 0.0071)) for the elderly for NO2. Relative rates (RRs) were 1.008 (95% CI = (1.000-1.017)) in adults and 1.021 (95% CI = (1.012-1.030)) in the elderly for every 10 μg/m3 increase of PM10 , 1.019 (95% CI = (1.005-1.033)) in adults and 1.022 (95% CI = (1.012-1.033)) in the elderly for every 0.1 part per million (ppm) increase of CO; 1.006 (95%CI = (1.002-1.009)) and 1.019 (95%CI = (1.007-1.032)) in the elderly for every 1 part per billion (ppb) increase of NO2 and SO2, respectively. Asthma hospital admissions were significantly increased for PM10 and CO in adults, and for PM10, CO, NO2 and SO2 in the elderly.^