Analysis of light absorbing carbonaceous aerosols in varying conditions of combustion

Abstract

Measurements of particulate matter from traffic emissions and wood-burning emissions are emerging trends in aerosol science. Angstrom exponent (a) is nowadays a common parameter to differentiate between these emission sources. Within the CAST experiment different carbon-to-oxygen ratios (C/O ratios) were used in the CAST burner, to generate black and brownish aerosols. In this experiment, the two-component Aethalometer model (Sandradewi et al., 2008) was extended to all seven wavelengths available in the new Aethalometer instrument to provide more information besides BC concentration. The resulting Aethalometer model enabled the detection of the amount of BC and BrC in the black and brownish samples. The results were compared with another optical method, the integrating sphere. Aethalometer data were compensated with different compensation principles (Weingartner et al., 2003, Arnott et al., 2005 and Kirchstetter et al., 2007) and the Weingartner principle was used for further discussions. The Angstrom exponent (a) was calculated with the help of the compensated data. For BC (a) was found to be around 1.2± 0.3, and (a) for brown carbon reached values up to 6.02± 1.0. In the second experiment, the wood-burning emissions were put into focus. Different types of wood (hardwood, softwood and pellets) and different stoves (wood-stove and pellets stove) were used in laboratory measurements. Emissions of the residential stoves (7kW power) were analysed with off-line (quartz filters) and on-line measurements (Aethalometer). When observing the filter samples of wood-burning visually, comparisons could be made with CAST experiment conditions at the C/O ratios of 0.21 or 0.31. Angstrom exponent calculated for wood (beech and spruce) reached an average value of (a) ~ 1.5± 0.2 and (a) of pellets was around 1.0± 0.05. Anhydrosugars are well known tracers for wood smoke, especially levoglucosan, which was a major organic compound found in the wood smoke samples using liquid chromatography. Emissions from wood burning are known to be important sources of ambient particulate matter in the Austrian and Slovenian regions. Due to these findings, ambient measurements were carried out as a part of PMinter project for 2011/12 and 2012/13 winter periods. Observation was focused on source apportionment, which means that again Aethalometer model was used to differentiate between BC fractions: BCwb originated from wood smoke emissions and BCff was BC emitted by burning diesel or gasoline, heating oil and coal, which was neglected being a minor emission source (1%). Two measurement stations were chosen: an urban region (Klagenfurt - Völkermarkterstrasse) and a rural region (Zell - Ebenthal). In Klagenfurt, the BCff portion was about 88%, while in Zell it decreased to 69%. The amount of BCwb was higher in Zell (31%) than in Klagenfurt (12%) during the 2011/12 winter period. The percentages of BCff and BCwb were similar also in the winter 2012/13. The values of the Angstrom exponents (a) used for Aethalometer model were set to (a) = 1.0 for traffic and (a) = 2.0 for wood-burning, based on the laboratory measurements described above. With the test of sensibility of the method (model), high deviation was observed by moving (a) ± 10%. Setting the (a) of wood-burning for -10% may double the portion of BCwb. Anhydrosugars were again analyzed to compare levoglucosan concentrations with BCwb fraction. The Aethalometer model gives us a new mechanism that can determine the contribution of biomass burning emissions in real time.

Die Messungen der Emissionen des Straßenverkehrs und der Emissionen, die bei der Verbrennung von Holz entstehen, sind wichtige Trends der Aerosolforschung. Häufig wird der Angström Exponent (a) verwendet, um zwischen diesen Emissionsquellen zu unterscheiden. Das erste Ziel der Doktorarbeit war das Vermessen von lichtabsorbierenden kohlenstoffhaltigen Partikeln mit dem Aethalometer. Im CAST Experiment wurde durch die Verwendung unterschiedlicher Verhältnisse von Kohlenstoff zu Sauerstoff (C/O Verhältnisse) im CAST-Brenner die Möglichkeit geschaffen, schwarze und braune Aerosole zu generieren. Bei diesem Experiment wurde das auf zwei Wellenlängen basierende Aethalometermodell (Sandradewi et al., 2008) auf alle sieben Wellenlängen, die im neuen Aerthalometer angeboten werden ausgeweitet, um neben der BC Konzentration noch weitere Informationen zu liefern. Mit dem Aethalometer konnten wir den Anteil von BC und BrC in den schwarzen und braunen Proben erfassen. Die Ergebnisse wurden mit einer weiteren optischen Methode, der Ulbricht-Kugel, verglichen. Die Aethalometerdaten wurden nach verschiedenen Prinzipien korrigiert, wobei die Komponsation über das Weingartner Prinzip (Weingartner et al., 2003) für die weiteren Diskussion benutzt wurden. So wurde der Angström Exponent (a) mit Hilfe von kompensierten Daten berechnet und lag für BC war bei ungefähr 1.2 ± 0.3 und bei BrC erreichten die Werte bis 6.02 ± 1.0. Im zweiten Experiment standen die Emissionen, die bei der Verbrennung von Holz entstehen, im Mittelpunkt. Diesbezüglich wurden die Partikel aus der Verbrennung von verschiedenen Holzsorten (Nadelholz, Laubholz und Pellets) in verschiedenen Ofenarten (Holzofen und Pelletofen) gemessen. So wurden Heizöfen (Leistung: 7kW) mit off-line Messungen (Quartz Filter) und on-line Messungen (Aethalometer) untersucht. Wenn man die Filterproben aus der Holzverbrennung mit bloßem Auge betrachtet, kann man Vergleiche mit dem CAST Experiment bei den C/O Verhältnissen von 0.21 und 0.31 ziehen. Der Angström Exponent berechnet für Holz (Buche und Fichte) erreichte einen durchschnittlichen Wert von (a) ~ 1.5 ± 0.2 und (a) für Pellets lag bei ungefähr 1.0 ± 0.05. Anhydrozucker, besonders Levoglucosan aber auch Mannosan und Galactosan, sind Tracer für die Holzverbrennung, und wurden mittels Ionenchromatographie in den Holzrauchproben bestimmt. In den letzten Jahren wurde in der Grenzregion Österreich-Slowenien die Holzverbrennung als wichtige Feinstaubquelle charakterisiert. Daher wurden als ein Teil des PMinter Projekts für den Winter 2011/12 und 2012/13 Messungen durchgeführt. Wieder wurde das Aethalometermodel für die Unterscheidung zwischen den BC Fraktionen benutzt. BCwb stammte aus Holzrauchemissionen und BCff kennzeichnete BC-Emissionen aus Dieselkraftstoff-, Benzin-, Heizöl und Kohlenverbrennung - diese wurden wegen ihrer geringeren Rolle (1%) nicht beachtet. Zwei Messstationen wurden ausgewählt: eine städtische Station (Klagenfurt - Völkermarkterstrasse) und eine ländliche Station (Zell - Ebenthal). Der BCff Anteil in Klagenfurt lag bei 88%, in Zell sank er aber auf 69%. Die Menge des BCwb im Winter 2011/12 war größer in Zell (31%) als in Klagenfurt (12%). Der Prozentsatz von BCff und BCwb war ähnlich auch im Winter 2012/13. Die (a) Werte für das Aethalometer Model wurden, gemäß den zuvor durchgeführten Laborexperimenten, auf (a) = 1.0 für Verkehr und (a) = 2.0 für Holzverbrennung eingestellt. Mit einem Empfindlichkeitstest der Methode (Model), wurden bei einer Änderung von (a) für ± 10% erhebliche Abweichungen beobachtet. Eine Senkung von (a) für 10% für die Holzverbrennung kann den Teil von BCwb verdoppeln. Auch Anhydrozucker wurde analysiert und die Levoglucosankonzentration mit der BCwb Fraktion verglichen. Das Aethalometer Model gibt uns einen neuen Mechanismus, der den Anteil von Feinstaub der aus der Holzverbrennung resultiert in Echtzeit bestimmen kann.