Characterization and source apportionment of carbonaceous aerosols in China
Ni, Haiyan
DOI:
10.33612/diss.79450942
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Ni, H. (2019). Characterization and source apportionment of carbonaceous aerosols in China. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.79450942
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Samenvatting
Luchtvervuiling, veroorzaakt door fijnstof - microscopische deeltjes die in de lucht zweven - zijn een groot probleem in China. De koolstofhoudende fractie van de aerosol (koolstofhoudende aerosolen, CA's) is een heel belangrijke component van fijnstof en heeft een negatief effect op de luchtkwaliteit, de menselijke gezondheid en het klimaat. CA's worden onderverdeeld in elementaire koolstof (EC) en organische koolstof (OC). EC kan binnenkomende zonnestraling sterk absorberen. OC daarentegen verspreidt voornamelijk licht, maar er wordt ook OC gevonden met lichtabsorberende eigenschappen, aangeduid als bruine koolstof (BrC).De lichtverstrooiende en absorberende effecten van CA’s voegen, zo wordt aangenomen, een grote onzekerheid toe aan de stralingsbalans van het klimaat. EC en OC ontstaan voornamelijk door onvolledige verbranding van biomassa (bijv. hout, gewasresten en gras) en fossiele brandstoffen (bijv. steenkool, benzine en diesel). Het verbranden van biomassa is de enige niet-fossiele bron voor EC, maar OC kan ook uit andere bronnen komen, bijvoorbeeld uit biogene emissies (d.w.z. emissies van natuurlijke bronnen, zoals planten en bomen en uit koken). In tegenstelling tot EC dat direct wordt uitgestoten als primaire CA's, omvat OC zowel primaire (POC) als secundaire OC (SOC). SOC wordt in de atmosfeer gevormd via atmosferische oxidatie van organische gassen van zowel fossiele als niet-fossiele bronnen (bijvoorbeeld verbranding van biomassa, biogene emissies en uit koken). Vanwege de complexe vormings mechanismen blijft het onduidelijk hoeveel elk van deze belangrijke bronnen bijdraagt aan CA's in China. Betere kennis van de bronnen van CA's is vereist om luchtvervuiling te verminderen en ons begrip van de rol van CA’s in de stralingsbalans te verbeteren.
Helaas is het erg moeilijk om de bijdrage van verontreinigingsbronnen aan CA-concentraties te schatten. De meest directe methode om de belangrijkste bronnen van CA's te vinden, is analyse van radioactieve koolstof (14C). Levend
materiaal is in evenwicht met CO2 in de atmosfeer en bevat een bekende
concentratie 14C. Bij afsterven vervalt het 14C-isotoop met een halfwaardetijd van
5730 jaar. Fossiele brandstoffen zijn veel ouder en bevatten daarom geen 14C.
Als het ons lukt om 14C op CA's te meten, kunnen we op zijn minst de twee
belangrijkste bronnen van CA's onderscheiden: fossiele bronnen (bijv. Steenkoolverbranding, voertuigemissies) die geen 14C bevatten en niet-fossiele
(of moderne) bronnen (bijv. verbranding van biomassa of biogene emissies, koken) met een relatief constante concentratie 14C. Deze methode wordt echter
niet breed toegepast in China vanwege het feit dat 14C-analyse tijdrovend,
arbeidsintensief en duur is. Dit proefschrift past 14C-metingen toe op
verschillende fracties van CA's om de bijdragen van diverse bronnen in China te kwantificeren, met speciaal aandacht voor kolenverbranding, die substantieel bijdraagt aan de vervuilde lucht in China.
De bijdrage van de diverse bronnen verandert in verschillende seizoenen. In hoofdstuk 2 werden deze seizoensveranderingen in bronnen van OC en EC in Xi'an, China in 2008/2009 bestudeerd door 14C te meten op zowel OC als op EC.
We ontdekten dat EC voornamelijk ontstaat uit fossiele bronnen, terwijl OC , het hele jaar door, voornamelijk ontstaat uit niet-fossiele bronnen (bijvoorbeeld verbranding van biomassa, biogene emissies, koken). Zowel OC als EC hebben een hogere bijdrage van niet-fossiele bronnen in de winter in tegenstelling tot in de warme periode, vanwege het feit dat er meer biomassaverbranding plaatsvind voor verwarming in de winter. Met behulp van de stabiele koolstofisotoop 13C
worden fossiele bronnen van EC verder onderverdeeld in kolenverbranding en voertuigemissies. Dit is mogelijk omdat EC uit kolenverbranding gemiddeld meer is verrijkt met 13C in vergelijking met voertuigemissies. Kolenverbranding
gaf meer fossiel-EC in de winter, terwijl voertuigemissies overheersten in de warme periode. Verder werden op basis van de bekende EC-bronnen de concentraties en bronnen van primaire OC (POC) geschat en vergeleken met de waargenomen totale OC. De verschillen tussen waargenomen OC en geschatte POC komen voort uit de SOC die niet is opgenomen in de schatting van POC. We vonden dat de geschatte POC vergelijkbaar was met de waargenomen totale OC in termen van absolute concentraties, variabiliteit en seizoensgebondenheid, behalve in de winter wanneer de concentraties van waargenomen OC hoger is dan de de POC. De bronnen van OC en POC waren echter heel verschillend, wat niet te verklaren valt zonder de OC-massaconcentraties te overschatten. We concluderen daarom dat zowel secundaire formatie als fotochemische verliesprocessen de uiteindelijke OC-concentraties beïnvloeden, vooral in de warme periode.
OC is een complex mengsel van duizenden verschillende organische stoffen met een grote variatie in vluchtigheid. Deze vluchtigheid bepaalt de verdeling van organische verbindingen tussen de gasfase en de vaste fase. Organische verbindingen met een lage vluchtigheid worden voornamelijk gevonden in de aerosolfase en zeer vluchtige verbindingen vinden we voornamelijk in de gasfase. Van een gemiddelde vluchtigheid zijn de semi-vluchtige organische verbindingen (SVOC's), die deels voorkomen in de deeltjesfase en deels in de gasfase. Primaire OC afkomstig van verschillende bronnen heeft verschillende vluchtigheden. Nadat primaire OC wordt uitgestoten in de atmosfeer, ondergaat het oxidatiereacties, die over het algemeen "veroudering" worden genoemd. Eerdere studies hebben aangetoond dat recentelijk uitgestoten primaire OC en nieuw gevormde secundaire OC (SOC) doorgaans vluchtiger zijn dan OC dat ‘veroudering’ heeft ondergaan vanwege uitgebreide fotochemische reacties in de atmosfeer. Het is daarom belangrijk om de bronnen van OC met verschillende vluchtigheden te onderzoeken voor een beter begrip van de atmosferische processen van organische fijnstof. In hoofdstuk 3 beschrijven we het allereerste gebruik van 14C-metingen aan meer en minder vluchtige OC-fracties. We hebben
een op 14C gebaseerde methode ontwikkeld en getest om bronnen van de meest
vluchtige fractie van OC (mvOC) te onderzoeken. mvOC wordt geïsoleerd door organische koolstof vrij te maken uit filtermonsters in een Heliumstroom bij 200 ° C in een op maat gemaakt verbrandingssysteem voor 14C-analyse. We tonen aan
dat deze nieuwe isolatiemethode reproduceerbaar is, zowel in mvOC hoeveelheid als in 14C-resultaten. We hebben dit verder toegepast op
fijnstofmonsters verzameld in 6 Chinese metropolen. We concluderen uit 14
C-metingen van mvOC en OC, dat mvOC sterker werd beïnvloed door fossiele bronnen dan totale OC, ongeacht het feit dat verschillende steden verschillende primaire verbrandingsbronnen hebben, zoals bleek uit 14C resultaten aan EC. De
herkomst van deze EC varieerde van grotendeels biomassaverbranding tot grotendeels fossiele brandstof. Dit komt overeen met literatuur onderzoeken die aangeven dat primaire emissies van voertuigbronnen vluchtiger zijn dan primaire emissies door verbranding van biomassa. De relatieve bijdrage van mvOC aan OC in atmosfeer monsters is echter veel kleiner dan die welke typisch is voor primaire emissies, wat een actieve verwerking van de aerosol in de atmosfeer suggereert, zelfs in de winter, wanneer zowel koudere temperaturen als verminderd zonlicht chemische reacties vertragen. Verder, op basis van 14
C-toegewezen OC en EC waardes in de zes Chinese steden, hebben we de SOC-concentraties geschat en geconstateerd dat SOC (een gemiddelde van 15 ± 9 μg m-3) een belangrijke bijdrage levert aan OC (30 ± 14 μg m- 3). Onze resultaten
suggereren dat, naast het verminderen van primaire emissies, het verminderen van de emissies van organische gassen die secundaire aerosolen kunnen vormen, ook belangrijk is voor de beheersing van luchtverontreiniging in China.
Een van de belangrijkste bronnen van luchtvervuiling is de verbranding van kolen in China, vooral in het stookseizoen. Als de meest voorkomende en relatief goedkope fossiele brandstof, zal steenkool onvermijdelijk een belangrijke inheemse energiebron blijven in China in de nabije toekomst. Afgezien van de nadelige invloed van de uitstoot van steenkoolverbranding op de luchtkwaliteit, suggereren enkele recente onderzoeken dat kolenverbranding ook bijdraagt aan BrC, wat de stralingsbalans van het klimaat op aarde beïnvloedt door het absorberen van licht. Onze kennis van de lichtabsorptie van BrC uit huishoudelijke steenkoolverbranding en hoe atmosferische processen het lichtabsorptievermogen van BrC veranderen, is echter nog steeds slecht. Dit beperkt klimaatmodellen in hun mogelijkheid om rekening te houden met absorptie door BrC, wat ons begrip van de rol van CA's bij de aantasting van het klimaat belemmert. In hoofdstuk 4 hebben we voor het eerst het lichtabsorptievermogen onderzocht van BrC uit zowel primaire als uit door chemische reacties verouderde kolenverbrandingsemissies in China. Het laat zien dat het lichtabsorptievermogen van BrC uit primaire emissies afhangt van de verbrandingscondities en afneemt na veroudering. We concluderen dat emissies van steenkoolverbranding ook een belangrijke rol spelen bij de lichtabsorptie van BrC en dat hiermee rekening moet worden gehouden in toekomstige klimaatmodellen. De resultaten van deze studie kunnen ook worden gebruikt voor andere regio's met voornamelijk van steenkool afgeleide aerosolen, zoals Polen, Ierland en India.
Dit proefschrift liet zien dat door het toepassen van radiokoolstofmetingen op verschillende fracties van CA's meer kennis en inzicht in bronnen en atmosferische verwerking van CA's kan worden verkregen. De resultaten van dit proefschrift kunnen bijdragen tot het bedenken van betere reductiestrategieën in enkele van de meest vervuilde Chinese steden, maar ook in veel regio's waar vergelijkbare bronnen en processen een rol spelen. Aan de andere kant helpt karakterisering van primaire en verouderde BrC uit steenkoolverbranding bij het evalueren van de effecten van de koolstofhoudende aerosol op het klimaat. Hoofdstuk 5 bespreekt de factoren die onze kennis van CA's beperken en schetst de mogelijkheden voor toekomstige metingen en studies om de rol van CA's met betrekking tot brontoewijzing en hun effecten op luchtkwaliteit en klimaat beter te begrijpen. Vertaald door Henk Jansen
