Aerosolpartiklar från olika källor. Vetenskaplig utmaning!

Transkript

1 Aerosol masspektrometri En ny mätmetod för utsläpp från biobränsleutrustningb Joakim Pagels, Axel Eriksson, Erik Nordin och Jenny Rissler. Ergonomi och Aerosolteknologi, Lunds Tekniska Högskola Christoffer Boman och Robin Nyström. Umeå Universitet Esbjörn Pettersson, Luleå Tekniska Universitet Henrik Wiinikka. Energitekniskt Centrum (ETC), Piteå

2 Aerosolpartiklar från olika källor Komplikation vid partikelrelaterade l t problem Vetenskaplig utmaning!

3 The Aerosol Laboratory in Lund Ergonomics & Aerosol Technology and Nuclear Physics Professors: Mats Bohgard, Erik Swietlicki, Bengt Martinsson, Mehri Sanati Senior Researchers: Anders Gudmundsson, Joakim Pagels, Jenny Rissler, Aneta Wierzbicka, Göran Frank, Birgitta Svenningsson, Staffan Sjögren, Jakob Löndahl PhD Students: Erik Nordin, Axel Eriksson, Christina Isaxon, Andreas Dahl, Azhar Malik, Erik Fors, Moa Sporre, Cerina Wittbom, Johan Friberg, Pontus Roldin, Johan Genberg, Maria Berghof

4 Partiklars hälsoeffekter Epithelial Cell After Dr. Andrew D. Maynard NIOSH Cincinnati, US

5 Partiklars hälsoeffekter Fasta olösliga komponenter: Ytarean och ytkemin Vätskor och lösliga partiklar : Masskoncentrationen av ämnet Kocbach, Pagels et al. (PF&T 2009) Epithelial Cell After Dr. Andrew D. Maynard NIOSH Cincinnati, US

6 Climate Effects of Aerosol Particles Cloud droplets CCN Gases Particles Particles Gases Biota Human Activities Biota

7 Eldningsförhållandena styr partikelstorlek och sammansättning! Efficient Hot Air starved Low Temp. KCl EC EC K 2 CO 3 K 2 SO 4 Organics Organics Löndahl, Pagels et al. Inhalation Tox. 08

8 Background

9 Aerosol Masspektrometri Partiklars kemiska sammansättning med hög tids (< 1 s) och storleksupplösning ( nm) Kvantitativ analys av organiska komponenter och PAH:er (Dzepina et al. 2007) State of the art inom aerosolkarakterisering, k i enda instrumentet i sitt slag i Skandinavien

10 Frågeställningar Är TOF AMS tekniken tillämpbar för studier av småskalig biomassförbränning? Vilka förbränningsmoment/förhållanden ger förhöjda emissioner av organiska partiklar och PAH:er? Hur ser tidförloppen ut för de organiska emissionerna sso e aunder typiska eldningsförlopp ed gsö vid pellet och vedeldning?

11 Experimentell Uppställning En kampanj vid ETPC, Umeå universitet i april maj 2010 Eldningsutrustning Modern Pelletspanna Pelletsreaktor Vanligt tförekommande vedkamin Spädning i tre steg (~1500 ggr) Gasanalys: CO, O 2, NOx, OGC Storleksfördelning ( nm) Partikelsammansättning ( nm) Konventionell filterprovtagning

12 Modern Pelletsbrännare 8 6 Total organisk massa PAH x100 mg/m : :45 18:00 18:15 Date and Time Last 10 kw, 8% O2, 250 ppm CO Total masskoncentration (SMPS+DMA APM) ~40 mg/m3 ~90% alkali salter (Löndahl et al. 2008) No PAH s

13 Pellets reaktor 3 6% O Total organisk massa PAH 8 mg g/m tid (min)

14 Modern Vedkamin Vanligt förekommande vedkamin Björkved 14% fukt O2 CO NOx OGC (%) (mg/mj) (mg/mj) (mg/mj) Hel förbränningscykel Hög effekt Låg effekt Endast kontinuerlig fas Hög effekt Låg effekt

15 Vedkamin, hög effekt, lågt O 2, hög temp

16 Jämförelse uppstart vs övertänd brasa Uppstart av organis sk signal andel 60x Övertänd brasa PAH Övrigt organiskt and del av org ganisk sign nal 70x PAH Övrigt organiskt m/z m/z

17 Markörer för olika organiska ämnen 5 organisk ka fragment t, PAH mg/m m Vedinlägg Vedinlägg Vedinlägg Vedinlägg pah org55 org44 org60_x :00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17: Date and Time

18 PAH:er avges vid lågt O2 5 PM 1 PA AH mass skoncent tration, (mg/m 3 ) Syrgasöverskott, O 2 (%)

19 Korrelation: O 2 vs Organiska Emissioner mnen, aniska äm 3 ) ation orga M 1 (mg/m koncentra PM Massk ,1 Kontinuerlig fas, lågt O2 Kontinuerlig fas Vedinlägg Utbrinningsfas O 2 (%)

20 Partikelstorleksfördelning Hög last

21 Vedkamin, Lägre last Uppstart PAH Total organisk massa mg/m Vedinlägg tid (min)

22 Slutsatser TOF AMS metoden ger unik helt ny information! Koppla förbränningsmoment till emissionsnivå/typ i i Organiska emissioner har kraftigt tidsberoende Kraftiga emissioner vid uppstart och vedinlägg Allra högsta emissionerna vid misslyckat inlägg! Höga PAH:emissioner vid övertänd brasa O2<5% Hög effekt, torr ved, stor batch, väl isolerad panna > högt CO, sot och PAH:er Följer ej totalhalten organisk massa. Övriga organiska aerosolen varierar också med förbränningsförhållandena Optimal pelletseldning >låg organiska emissioner av kraftigt oxiderade ämnen Kolväteliknande föreningar (lågt O:C) dominerar vid uppstart Monosakarider såsom Levoglukosan: Låg temp förbränning

23 Framtidsplaner Data från studien förväntas leda till två vetenskapliga (Peer review) publikationer Inkorporera storleksfördelningar, kemisk off line analys.. Under hösten 2010 uppgraderas AMS instrumentet t t med en ny vaporiseringsenhet. Detta möjliggör kvantitativa studier av sot och metaller! Möjligheten att detektera alkalisalter kommer undersökas Studier av åkerbränslen, kallare vedeldning Studier i smogkammare av partikelbildning i atmosfären från biomassemissioner Dedikerade d hälsoeffektstudier hl ffk Vedrökspartiklar deponeras direkt från luften på celler för tox analys Humanexponeringar och lungdeposition med UmU

24 Soot Particle AMS Möjliggör kvantitativa studier av sot och metaller

25 Tack till: EU/ERA NET Biohealth

26 Vilket problem ute i samhället är det man försöker ök bidra till att lösa med projektet, varför är forskningen ni gjort viktig? Vad är det konkret som projektet skulle ge svar på? Vilka har varit inblandade i projektet? Hur genomfördes projektet? Vilka slutsatser har man kunnat dra? Vilka databrister och andra osäkerheter finns det? Finns annan forskning som säger annat? Anser ni att det bör forskas/ arbetas mer inom detta område? I så fall vad.

27 Emissions Exposure Dose Response Health effect

28 Aerosol Particles - Human Health Impact CAFE estimates that fine particles (PM2.5) and ozone combined are responsible for 370,000 premature deaths each year in EU25, and the loss of 3.6 millions years of life annually. (CAFE: Impact Assessment of the Thematic Strategy on Air Pollution and the Directive on Ambient Air Quality and Cleaner Air for Europe, SEC(2005)1133, Brussels, 21 Sept. 2005) For Sweden, Forsberg et al. (2005) estimated that the current population exposure to PM10 results in 5000 premature deaths annually. (RIP = Respired Inhalable Particles and died!) RIP

29 Biomass combustion SOA formation Grieshop et al. 2009

30 What are the precursors of biomass SOA BTX: not enough, relatively high Benzene conc. PAHs: Naphtalene can be of similar il order as BTXs Guaiacol Syringol Methoxy phenols are common (typically) gas phase species in wood smoke Decomposition products of lignin Anti oxidant properties Potential SOA precursors Responsible for characteristic smell and taste of wood smoke

31 Surface can be complex Most of particle s mass is invisible to the respiratory system Will the agglomerates break up into free NPs upon deposition? Epithelial Cell After Dr. Andrew D. Maynard NIOSH Cincinnati, US