Συσχέτιση της σύστασης των ατμοσφαιρικών σωματιδίων με τις πηγές προέλευσής τους

Abstract

Η ρύπανση της ατμόσφαιρας από τα αιωρούμενα σωματίδια, ιδιαίτερα το κλάσμα των εισπνεύσιμων ΑΣ10 και αναπνεύσιμων ΑΣ2.5 έχει σημαντικές επιπτώσεις στο κλίμα, στο περιβάλλον, στην κατανομή της ύλης στο χώρο, καθώς και στην ανθρώπινη υγεία και αποτελεί ένα περιβαλλοντικό θέμα αιχμής που μελετάται εντατικά παγκοσμίως. Τα αιωρούμενα σωματίδια προέρχονται από φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές εκπομπής και μεταφέρονται σε μεγάλες αποστάσεις, με αποτέλεσμα να είναι δύσκολη η εκτίμηση της συμμετοχής διαφόρων πηγών τους, χωρίς τη μελέτη της ποιοτικής και ποσοτικής σύστασής τους. Στη παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία σε κατάλληλα φίλτρα μεμβράνες από λεπτόκοκκα ατμοσφαιρικά σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη των 2,5μm (ΑΣ2.5) που συλλέχθηκαν με δειγματολήπτη τύπου TCR Tecora Sentinel PM σε ύψος 12m από το έδαφος, στην ταράτσα του κτηρίου της σχολής των Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών στο Ε.Μ.Π. (Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου), ώστε να μην διαταράσσονται τα δεδομένα από την άμεση γειτονία του εδάφους. Προσδιορίστηκαν τα επίπεδα των συγκεντρώσεων των ατμοσφαιρικών σωματιδίων (ΑΣ2.5), με φορητό όργανο λήψης (Dust Trak TSI μοντέλο 8520). Από τους προσδιορισμούς της σύστασης των ΑΣ2.5 με μεθόδους ενόργανης χημικής ανάλυσης υπολογίστηκαν οι συγκεντρώσεις των στοιχείων (κύριων στοιχείων και ιχνοστοιχείων), των ιόντων (κλάσμα ανιόντων), και της ποσότητας του οργανικού και στοιχειακού άνθρακα σε αυτά. Επιπλέον, έγινε ταυτοποίηση της φύσης και της μορφολογίας των σωματιδίων με παρατήρηση των φίλτρων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM/EDX). Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται καλύπτουν την περίοδο από 16 Φεβρουαρίου 2010 έως 4 Μαΐου 2010 με βήμα δειγματοληψίας 3 φίλτρα την εβδομάδα και με διάρκεια λήψης κάθε δείγματος είκοσι τέσσερις (24) ώρες. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι η μέση συγκέντρωση των ΑΣ2.5 για το εξετασθέν χρονικό διάστημα είναι της τάξης των 20μg/m3. Αρκετά συχνά, σε ημερήσια βάση, η συγκέντρωση των ΑΣ2.5 είναι πολύ κοντά και σε πολλές περιπτώσεις υπερβαίνει τη τιμή στόχο των 25μg/m3. Η μεγαλύτερη τιμή της συγκέντρωσης των ΑΣ2.5 ξεπέρασε τα 160μg/m3 στις 20 Φεβρουαρίου, πράγμα που αποδίδεται σε επεισόδιο μεταφοράς σκόνης από τις ερημικές περιοχές της Αφρικής. Αντίστοιχα, σε επεισόδια μικρότερης έντασης, όπως για παράδειγμα στο διάστημα 10-11 Μαρτίου, όπου η συγκέντρωση έφθασε τα 80μg/m3 και στο διάστημα 23-25 Μαρτίου, όπου έφθασε τα 70μg/m3. Στα δείγματα που αντιστοιχούν στις περιόδους αυτές, παρατηρούνται υψηλές συγκεντρώσεις για τα στοιχεία Al, Si, Fe, Ca, K και Ti, τα οποία και συσχετίζονται άριστα μεταξύ τους. Για τη διαπίστωση της περιεκτικότητας των αιωρουμένων σωματιδίων σε βαρέα μέταλλα (Zn, Pb, Cd, Cu, Ni, Mn) και υδατοδιαλυτά ανιόντα (Cl-, ΝΟ2-, NO3-, SO42-) αναπτύχθηκαν κατάλληλες μέθοδοι κατεργασίας των φίλτρων και εφαρμόστηκαν πολυστοιχειακές μέθοδοι ανάλυσης με χαμηλά όρια ανίχνευσης (EDXRF, AAS, IC), λόγω των πολύ μικρών συγκεντρώσεων των μετάλλων και ενώσεων που έχουν προσροφηθεί στα φίλτρα. Από τις χημικές αναλύσεις δεν προέκυψαν υπερβάσεις στις συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων έναντι των θεσμοθετημένων οριακών τιμών. Από τη στατιστική αξιολόγηση των δεδομένων με πολυπαραμετρικές μεθόδους ανάλυσης προέκυψαν συσχετίσεις μεταξύ των συγκεντρώσεων των προσδιορισθέντων στοιχείων, ιόντων και βαρέων μετάλλων και σε συνάρτηση με τα ανεμολογικά, μετεωρολογικά δεδομένα (ροδογράμματα ανέμων), καθώς και με δεδομένα του συστήματος τηλεπισκόπησης laser (τεχνική lidar), που προσφέρονται από σταθμούς του Ε.Μ.Π., έγιναν εκτιμήσεις ως προς την προέλευση των ΑΣ2.5.

The air pollution by particulate matter, especially the inhalant fraction of PM10 and breathable PM2.5 cause significant impacts on climate, environment, assignation of material in space and on human health and it is an environmental issue being studied intensively peak worldwide. Particulate matter come from natural and anthropogenic sources and transported over long distances, making it difficult to assess the contribution of different sources, without studying the qualitative and quantitative compositions. In present work it was sampled at appropriate membrane filters of fine atmospheric particles with aerodynamic diameter less than 2,5μm (PM2.5) collected by sampler type TCR Tecora Sentinel PM at a height of 12m above the ground, to the roof of the building of the School of Mining Engineering - Metallurgical in NTUA (NTUA campus), so as not to disturb the data from the immediate vicinity of the ground. The levels of atmospheric concentrations of particulate matter (PM2.5) identified by a portable sampling instrument receiving atmospheric PM2.5 particles (Dust Trak TSI model 8520). Determinations by the composition of PM2.5 with methods of instrumental chemical analysis calculated the concentrations of elements (major and trace element), the ion (anion fraction) and the quantity of organic and elemental carbon in them. Moreover, there was identification of the nature and morphology of particles with observation filters in scanning electron microscopy (SEM / EDX). The results presented cover the period from February 16, 2010 until May 4, 2010 with step three filters sampling per week and each sample making time twenty-four (24) hours. The results show that the average concentration of PM2.5 in the period examined is in the order of 20mg/m3. Quite often on a daily basis, the concentration of PM2.5 is very close and in many cases exceeds the target value of 25μg/m3. The highest concentration of PM2.5 exceeded 160mg/m3 on February 20, which is attributed to dust transport episodes from the wilderness of Africa. Likewise, in episodes of lower intensity, such as in space 10 to 11 March, where the concentration increased to 80mg/m3 and between 23-25 March, which reached 70mg/m3. The samples corresponding to these periods, it was observed high concentrations of the elements Al, Si, Fe, Ca, K and Ti, which correlate well with each other. To determine the concentration of suspended particles of heavy metals (Zn, Pb, Cd, Cu, Ni, Mn) and soluble anions (Cl-, ΝΟ2-, NO3-, SO42-) developed appropriate methods of treatment of filters and multi-element methods applied analysis with low limits of detection (EDXRF, AAS, IC), due to very small concentrations of metals and compounds that are adsorbed on the filters. From the chemical analysis did not reveal any excess in concentrations of heavy metals over the statutory limits. The statistical evaluation of data analysis methods resulting multiparametric correlations between the concentrations of the identified elements, anions and heavy metals in relation to the weather data (wind-roses diagrams), and data from system sensing laser (technical Raman-Lidar), offered by NTUA station were estimates as to the origin of pollution sources.