Morphology and composition of particulate matter in the air of urban area

• Autorzy: Loskot Jan , Kumar D. Kishore , Komárek Jan , Sajdlová Světlana , Křiž Jan , Ziembik Zbigniew

Identyfikatory

DOI

10.2428/ecea.2019.26(1-2)7

Warianty tytułu

PL

Morfologia i skład pyłu zawieszonego w powietrzu obszaru miejskiego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Atmospheric pollution by particulate matter has become increasingly important in recent years, because it was found that these airborne particles have various adverse effects on the environment and human health. To extend the knowledge of such pollutants, detailed characterization of sizes, morphology and chemical composition of individual airborne particles is desired. In the presented research, the air microparticles were taken from discarded fiberglass tape filters which are commonly used in MP101M continuous suspended particulate analysers to determine the mass concentration of the particulate matter. These samples, which were collected in Kutna Hora (Czech Republic), were studied using the methods of scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. Based on microscopic photographs, various geometrical parameters (Feret’s diameter, perimeter, cross-section surface area, circularity, aspect ratio, roundness and solidity) of 237 particles were assessed, while the spectroscopy measurements revealed elemental composition of these particles. Statistical evaluation of the measured data was done using the methods of principal component analysis and compositional data analysis. By these methods, certain relationships among the geometrical parameters and the content of chemical elements in the particles were found. This research also demonstrated that the fiberglass air filters can easily be reused to gain additional information about airborne particles in various places at any time. The character of the particles can also provide information about a possible source of contamination.

PL

Zanieczyszczenie powietrza przez pył zawieszony (PM) staje się w ostatnich latach coraz bardziej znaczące. Stwierdzono, że unoszące się w powietrzu cząsteczki niosą różne niekorzystne skutki dla środowiska i zdrowia ludzkiego. Aby poszerzyć wiedzę na temat takich zanieczyszczeń, pożądana jest szczegółowa charakterystyka rozmiarów, morfologii i składu chemicznego poszczególnych cząstek zawieszonych w powietrzu. W prezentowanych badaniach mikrocząsteczki powietrza zostały pobrane z filtrów taśmowych z włókna szklanego, które są powszechnie stosowane w analizatorach cząstek stałych MP101M. Próbki zostały zebrane w Kutnej Horze (Republika Czeska), były badane metodami skaningowej mikroskopii elektronowej i spektroskopii rentgenowskiej z rozpraszaniem energii. Na podstawie zdjęć mikroskopowych oceniono różne parametry geometryczne (m.in. średnicę Fereta, obwód, powierzchnię przekroju poprzecznego, krągłość, współczynnik kształtu) 237 cząstek, a pomiary spektroskopowe pozwoliły na określenie składu pierwiastkowego tych cząstek. Statystyczną ocenę otrzymanych wyników wykonano metodami analizy głównych składowych i metodami analizy zmiennych złożonych. Stwierdzono istnienie pewnych zależności pomiędzy parametrami geometrycznymi a zawartością pierwiastków chemicznych w cząstkach. Badania te wykazały również, że filtry powietrza z włókna szklanego mogą być z łatwością ponownie wykorzystane do uzyskania dodatkowych informacji o cząstkach zawieszonych w powietrzu w różnych miejscach w dowolnym czasie. Charakter cząsteczek może również dostarczyć informacji o możliwym źródle zanieczyszczeń.

Słowa kluczowe

EN

particulate matter; electron microscopy; morphology; shape; elemental composition; air filters

PL

pył zawieszony; mikroskopia elektronowa; morfologia; kształt; skład pierwiastkowy; filtry powietrza

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 26, nr 1-2
• Strony: 59--71
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Loskot Jan

• Department of Physics, Faculty of Science, University of Hradec Králové

autor

Kumar D. Kishore

• Department of Physics, Faculty of Science, University of Hradec Králové

autor

Komárek Jan

• Czech Hydrometeorological Institute

autor

Sajdlová Světlana

• Department of Physics, Faculty of Science, University of Hradec Králové

autor

Křiž Jan

• Department of Physics, Faculty of Science, University of Hradec Králové

autor

Ziembik Zbigniew

• Institute of Environmental Engineering and Biotechnology, Faculty of Natural Sciences and Technology, University of Opole

Bibliografia

• [1] Genga A, Siciliano T, Siciliano M, Aiello D, Tortorella C. Individual particle SEM-EDS analysis of atmospheric aerosols in rural, urban, and industrial sites of Central Italy. Environ Monit Assess. 2018;190(8):456-69. DOI: 10.1007/s10661-018-6826-9.
• [2] Ilić M, Budak I, Vasić MV, Nagode A, Kozmidis-Luburić U, Hodolič J, et al. Size and shape particle analysis by applying image analysis and laser diffraction – Inhalable dust in a dental laboratory. Measurement. 2015;66:109-17. DOI: 10.1016/j.measurement.2015.01.028.
• [3] Feng W, Li H, Wang S, Van Halm-Lutterodt N, An J, Liu Y, et al. Short-term PM10 and emergency department admissions for selective cardiovascular and respiratory diseases in Beijing, China. Sci Total Environ. 2018;657:213-21. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.066.
• [4] Yu G, Wang F, Hu J, Liao Y, Liu X. Value Assessment of Health Losses Caused by PM2.5 in Changsha City, China. Int J Environ Res Public Health. 2019;16(11):2063. DOI: 10.3390/ijerph16112063.
• [5] Elmes M, Gasparon M. Sampling and single particle analysis for the chemical characterisation of fine atmospheric particulates: A review. J Environ Manage. 2017;202:137-50. DOI: 10.1016/j.jenvman.2017.06.067.
• [6] Suvarapu LN, Baek SO. Determination of heavy metals in the ambient atmosphere: A review. Toxicol Ind Health. 2016;33(1):79-96. DOI: 10.1177/0748233716654827.
• [7] Amann M, Derwent R, Forsberg B, Hurley F, Krzyzanowski M, Kuna-Dibbert B, et al. Health risks of particulate matter from long-range transboundary air pollution. Copenhagen: WHO Regional Office for Europe; 2006. http://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0006/78657/E88189.pdf.
• [8] Wierzbińska M. The effect of point emitter geometric parameters on dustfall. Chem Didact Ecol Metrol. 2016;21(1-2):83-95. DOI: 10.1515/cdem-2016-0007.
• [9] Cichowicz R, Wielgosiński G. Analysis of Variations in Air Pollution Fields in Selected Cities in Poland and Germany. Ecol Chem Eng S. 2018;25(2):217-27. DOI: 10.1515/eces-2018-0014.
• [10] Ramirez-Leal R, Valle-Martinez M, Cruz-Campas M. Chemical and Morphological Study of PM10 Analysed by SEM-EDS. Open J Air Pollut. 2014;3(4):121-9. DOI: 10.4236/ojap.2014.34012.
• [11] Li Y, Wu A, Wu Y, Xu J, Zhao Z, Tong M, et al. Morphological characterization and chemical composition of PM2.5 and PM10 collected from four typical Chinese restaurants. Aerosol Sci Tech. 2019;53(10):1186-96. DOI: 10.1080/02786826.2019.1645292.
• [12] Morillas H, Marcaida I, Maguregui M, Upasen S, Gallego-Cartagena E, Madariaga JM. Identification of metals and metalloids as hazardous elements in PM2.5 and PM10 collected in a coastal environment affected by diffuse contamination. J Clean Prod. 2019;226:369-78. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.04.063.
• [13] Karaca F, Anil I, Yildiz A. Physicochemical and morphological characterization of atmospheric coarse particles by SEM/EDS in new urban central districts of a megacity. Environ Sci Pollut Res. 2019;26(23):24020-33. DOI: 10.1007/s11356-019-05762-2.
• [14] Wagner J, Casuccio G. Spectral imaging and passive sampling to investigate particle sources in urban desert regions. Environ Sci Processes Impacts. 2014;16(7):1745-53. DOI: 10.1039/c4em00123k.
• [15] Chiari M, Yubero E, Calzolai G, Lucarelli F, Crespo J, Galindo N, et al. Comparison of PIXE and XRF analysis of airborne particulate matter samples collected on Teflon and quartz fibre filters. Nucl Instrum Meth B. 2017;417:128-32. DOI: 10.1016/j.nimb.2017.07.031.
• [16] Galvăo ES, Santos JM, Lima AT, Reis NC, Orlando MTD, Stuetz RM. Trends in analytical techniques applied to particulate matter characterization: A critical review of fundaments and applications. Chemosphere. 2018;199:546-68. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2018.02.034.
• [17] Petean I, Paltinean GA, Mocanu A, Muntean DF, Muresan L, Arghir G, et al. Micro and nano organization of atmospheric particulate matter in Grigorescu district of Cluj-Napoca. Studia Ubb Chemia. 2018;63(3):49-57. DOI: 10.24193/subbchem.2018.3.04.
• [18] Shi Y, Ji Y, Sun H, Hui F, Hu J, Wu Y, et al. Nanoscale characterization of PM2.5 airborne pollutants reveals high adhesiveness and aggregation capability of soot particles. Sci Rep. 2015;5. DOI: 10.1038/srep11232.
• [19] Ervik TK, Benker N, Weinbruch S, Thomassen Y, Ellingsen DG, Berlinger B. Size Distribution and Single Particle Characterization of Airborne Particulate Matter collected in a Silicon Carbide Plant. Environ Sci Processes Impacts. 2019;21(3): 564–74. DOI: 10.1039/C8EM00518D.
• [20] Barroso PJ, Santos JL, Martín J, Aparicio I, Alonso E. Emerging contaminants in the atmosphere: Analysis, occurrence and future challenges. Crit Rev Environ Sci Technol. 2019;49(2). DOI: 10.1080/10643389.2018.1540761.
• [21] Continuous Suspended Particulate Analyzer MP101M option CPM. ENVEA Environnement S.A. 2018. https://www.envitech-bohemia.cz/files/001-imise/esa/mp101m.pdf.
• [22] ImageJ Download Page. https://imagej.nih.gov/ij/download.html.
• [23] Ferreira T, Rasband W. ImageJ User Guide: IJ 1.46r. RSB. 2012. https://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/user-guide.pdf.
• [24] Informace o kvalitĕ ovzduší v ČR: Aktuální přehled dat z automatizovaných stanic (Information about air quality in the Czech Republic: Current overview of data from automated stations). CHMI. 2019. http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/web_generator/aqindex_slide3/mp_SKHOA_CZ.html.
• [25] Jolliffe IT. Principal Component Analysis. 2nd ed. New York, Berlin, Heidelberg: Springer; 2002. ISBN 978-0-387-95442-4.
• [26] Aitchison J. The Statistical Analysis of Compositional Data. Caldwell, New Yersey: The Blackburn Press; 2003. ISBN 978-1930665781.
• [27] Aitchison J. A Concise Guide to Compositional Data Analysis; 2010. http://www.leg.ufpr.br/lib/exe/fetch.php/pessoais:abtmartins:a_concise_guide_to_compositional_data_analysis.pdf.
• [28] Pawlowsky-Glahn V, Buccianti A, editors. Compositional Data Analysis: Theory and Applications. United Kingdom: John Wiley & Sons, Ltd. 2011. ISBN: 978-0-470-71135-4.
• [29] Buccianti A, Mateu-Figueras G, Pawlowsky-Glahn V, editors. Compositional Data Analysis in the Geosciences: From Theory to Practice - Special Publication no 264. London: Geological SocietyLondon; 2006. ISBN: 978-1862392052.
• [30] Aitchison J, Ng KW. The role of perturbation in compositional data analysis. Statistical Modelling. 2005;5:173–85. DOI: 10.1191/1471082X05st091oa.
• [31] Pawlowsky-Glahn V, Egozcue JJ, Lovell D. Tools for compositional data with a total. Statistical Modelling. 2015;15:175–90. DOI: 10.1177/1471082X14535526.
• [32] Filzmoser P, Hron K, Reimann C. Principal component analysis for compositional data with outliers. Environmetrics. 2009;20:621–32. DOI: 10.1002/env.966.
• [33] Aitchison J, Greenacre M. Biplots of compositional data. J Royal Statistical Soc. Ser. C (Appl Statistics). 2002;51:375–92. DOI: 10.1111/1467-9876.00275.
• [34] R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. 2019. https://www.r-project.org/.
• [35] van den Boogaart KG, Tolosana R, Bren M. Package ‘compositions’: Compositional Data Analysis. Version 1.40-2. 2018. https://cran.r-project.org/web/packages/compositions/compositions.pdf.
• [36] Frank E. Harrel. Hmisc: Harrell Miscellaneous. 2019. https://cran.r-project.org/web/packages/Hmisc/.
• [37] Filzmoser P, Hron K. Correlation Analysis for Compositional Data. Mathematical Geosciences. 2009;41(8): 905–19. DOI: 10.1007/s11004-008-9196-y.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).