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Physical basis of thermal soot measurement methods
Theresa Haller
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Regina Hitzenberger
DOI
10.25365/thesis.70168
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11173.61578.877589-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Kohlenstoffhaltige Aerosole tragen einen großen Teil (20-40% in PM2,5; Pöschl, 2005) zum atmosphärischen Aerosol bei und haben vielfältige Auswirkungen auf das Klima und die menschliche Gesundheit. Zuverlässige Messmethoden für diesen Teil des atmosphärischen Aerosols sind daher notwendig.
Zur Klassifizierung von kohlenstoffhaltigen Aerosolen werden häufig thermo-optische Messtechniken eingesetzt in denen die unterschiedliche thermische Stabilität der verschiedenen Kohlenstoff-fraktionen genutzt wird: Die Probe wird zunächst in einer inerten Atmosphäre, dann in einer oxidierenden Atmosphäre schrittweise aufgeheizt. Die Kohlenstoffmenge, die während des Heizens in die Gasphase übergeht wird gleichzeitig mit einem Transmissions-/Reflexionslasersignal, das die Schwärzung der während des Aufheizens in der inerten Atmosphäre verfolgt, gemessen.
Obwohl die Ergebnisse für Gesamtkohlenstoff (TC) für verschiedene thermo-optische Messtechniken vergleichbar sind, variieren die Werte für den elementaren Kohlenstoff (EC) um bis zu 44%, insbesondere in Gegenwart von braunem Kohlenstoff (BrC). Das Verkohlen von organischem Material während der inerten Heizphase in Helium ist als eine der Hauptursachen für die Unterschiede bekannt. Dennoch war zu Beginn dieser Arbeit keine Literatur über Strukturänderungen während thermo-optischer Analysen verfügbar.
In dieser Arbeit wurden Verbrennungsaerosol-Standard (CAST) Ruße sowie atmosphärische Aerosolproben (einige davon mit Wasser gewaschen) in einem thermo-optischen Gerät nach dem NIOSH870- und dem EUSAAR2-Protokoll (Birch and Cary, 1996; Cavalli et al., 2010) erhitzt. Raman-Spektren der nicht aufgeheizten und aufgeheizten Proben wurden analysiert. Die CAST-Rußproben wurden zusätzlich mit UV-Vis Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Für die atmosphärischen Aerosolproben wurden Rückwärtstrajektorien der Luftmassen berechnet und die bedeutendsten Ionen (Na+, NH4+, Mg2+, Ca2+, K+, Cl-, NO2-, NO3-, SO4-) analysiert. Alle Proben wurden unter Verwendung der Ulbrichtkugel-Methode auf schwarzen (BC) und braunen Kohlenstoff (BrC) analysiert.
CAST-Rußproben mit hohem BrC-Gehalt zeigten eine Zunahme der strukturellen Ordnung bei 870 °C in He, wenn die Probe nach dem NIOSH870-Protokoll erhitzt wurde. Bei atmosphärischen Aerosolproben variierte das Temperaturniveau, bei dem während EUSAAR2 strukturelle Veränderungen auftraten, für verschiedene Proben, während sich die Struktur der gewaschenen atmosphärischen Aerosolproben nicht änderte. Bemerkenswert ist, dass bei den meisten untersuchten Proben Änderungen der optischen Eigenschaften nicht mit Änderungen der Strukturordnung einhergingen: Die Schwärzung der Proben erfolgte kontinuierlich auch während Temperaturniveaus, bei denen keine Änderungen der strukturellen Ordnung sichtbar waren. Die Schwärzung einer Probe bei thermo-optischen Analysen wird also nicht zwangsläufig durch den Aufbau graphitähnlicher Strukturen verursacht.
Abstract
(Englisch)
Carbonaceous aerosols contribute a large fraction (20-40% in PM2.5; Pöschl, 2005) to the atmospheric aerosol and have diverse impacts on climate and human health. This importance makes reliable measurement methods essential.
Thermal-optical measurement techniques are widely used to classify carbonaceous aerosols using their thermal stability: A filter sample is heated stepwise first in an inert atmosphere, then in an oxidizing atmosphere and the carbon evolving from the filter is monitored together with a transmission / reflection laser signal that tracks the darkening of the sample occurring during the heating in the inert atmosphere. Although results for total carbon (TC) are comparable for different thermal-optical measurement techniques, values for elemental carbon (EC) vary by up to 44% especially in the presence of brown carbon (BrC). Charring of organic material during the inert heating phase has been reported as a major confounder but at the start of this work no literature about structural changes occurring during thermal-optical analyses was available.
In this work combustion aerosol standard (CAST) soot as well as atmospheric aerosol samples (some of them washed with water) were heated in a thermal-optical instrument following the NIOSH870 (Birch and Cary, 1996) and the EUSAAR2 (Cavalli et al., 2010) protocols. Raman spectra of the unheated and heated samples were analyzed. For the CAST soot samples UV-Vis spectroscopy and transmission electron microscopy were also applied. For the atmospheric aerosol samples air mass back trajectories were calculated and major ions (Na+, NH4+, Mg2+, Ca2+, K+, Cl-, NO2-, NO3-, SO4-) were analyzed. All samples were analyzed for black and brown carbon using the integrating sphere technique.
CAST soot samples with high amounts of BrC showed an increase of structural ordering at 870°C in He when the sample was heated following NIOSH870. For atmospheric aerosol samples the temperature level where structural changes occurred during EUSAAR2 varied for different samples while the structure of the washed atmospheric aerosol samples did not change.
It is remarkable that for most investigated samples, changes of the optical properties did not coincide with changes of structural ordering: Samples darkened continuously also at temperature levels, where no changes of structural ordering were visible. So the darkening of a sample during thermal-optical analysis is not necessarily caused by the building of graphitic-like structures.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
soot EC OC BC BrC thermal-optical elemental carbon organic carbon black carbon brown carbon
Schlagwörter
(Deutsch)
Ruß EC OC BC BrC thermal-optical elementarer Kohlenstoff organischer Kohlenstoff
Autor*innen
Theresa Haller
Haupttitel (Englisch)
Physical basis of thermal soot measurement methods
Paralleltitel (Deutsch)
Physikalische Basis thermischer Rußmessmethoden
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
ii, 125 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Regina Hitzenberger
Klassifikation
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
AC Nummer
AC16463712
Utheses ID
60067
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |