Source apportionment of urban aerosols using recep for modelling approach; An application to Ankara

Abstract

ÖZ ALICI ORTAM MODELİNİ KULLANARAK KENT AEROSOLLERÎNİN KAYNAKLARA DA?ILIMI VE ANKARA'YA UYGULANMASI Mustafa YATIN Doktora Tezi, Kimya Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Prof.Dr. Namık K. Araş Yardımcı Tez Yöneticisi: Doç.Dr. Semra G. Tuncel Kasım, 1994, 244 Sayfa Bu çalışmada, 1989 ve 1993 yıllarında Ankara atmosferindeki eser element düzeyleri nötron aktivasyon analizi yöntemi, elektrotermal atomizasyonlu atomik absorpsiyon spektrometresi ve iyon kromotagrafisi kullanılarak belirlendi. Aerosol örnekleri 1993 yılında ince taneli ve kalın taneli olmak üzere iki büyüklüğe göre toplandı. Elementlerin günlük değişimleri incelendi ve tamamının log-normal dağılım izlediği gözlendi. Fuel oil yanması ile ilgili V ve Ni ile kömür yanması ile ilgili elementlerden As, Se, Sb, Zn ve Mn konsantrasyonları ısınma mevsimi boyunca yüksek bulundular. Buna karşılık, Al, Fe, Sc ve Ce gibi yerkabuğu elementlerinin hava sıcaklığının etkisiyle toz şeklinde, ısınma mevsimi dışında daha viyüksek oldukları gözlendi. Meteorolojik parametrelerle, ölçülen eser elementlerin ilişkisi ayrıntılı biçimde araştırıldı. Rüzgar hızının düşük olması nedeniyle, kirletici seyrelmesinin karışım derinliği ile kontrol edildiği saptandı. Yerkabuğu, kömür, fuel-oil ve motorlu taşıtlar gibi çeşitli kaynaklara göre elementlerin zenginleşme faktörleri incelendi. İnce taneli elementlerin konsantrasyonlarına katkıda bulunan kaynaklara dağılımı, faktör analizi ve kimyasal kütle dengesi yöntemleri ile hesaplandı. Faktör analizi toplam varyansın %76 sim açıklayan altı faktör ile optimize edildi. Birinci faktörde As, Zn, Se, S04-, Hg, Ni ve Mn gibi elementler olduğundan bu faktör kömür yanması ile karışık endüstri kaynaklan olarak adlandırıldı. İkinci faktör, Al, Sc, Fe ve Mg ile yüklendiğinden kirli toprak faktörü olarak belirlendi. Üçüncü faktör ise Mn, La, Al, Fe Mg ve Na içerdiğinden tuzlu toprak olduğu saptandı. Motorlu taşıt emisyonunu temsil eden elementlerden Pb ve Br dördüncü faktörde gözlendi. Beşinci faktörde fuel oil elementlerinden V ve Ni gözlendi. Son ve altmcı faktör ise Mn, La, Sc ve Al ile belirlendiğinden yapı ve kazı (inşaat) faktörü olduğuna karar verildi. Yukarda verilen altı faktör skorunun, dört faktöre göre hesaplanmış meteoroljik parametrelerin faktör skorları ile olan ilişkisi incelendi. Buna göre, rüzgarlı ve iyi karışmış hava durumunun ısınma kaynaklı faktörlerden kirliliği seyrelttiği bulundu. Ayrıca sıcaklığın artması ile hava kirliliğine toz katkısının arttığı hesaplandı. Kaynakların belirlenmesinden sonra, kimyasal viikütle dengesi hesaplarına geçildi. Faktör analizi sonuçlan ile yapılan hesaplamalarla kaynak kompozisyonları hakkında nicel bilgiler elde edildi. Bu hesaplanan kompozisyonlar çeşitli çalışmalardaki sonuçlar ile karşılaştırıldı ve uygun olanları seçildi. Kimyasal kütle dengesi hesaplan, mutlak sıfırlı faktör skoru yöntemi ile hesaplanan kaynak profilleri kullanılarak gerçekleştirildi. Kimyasal kütle dengesi hesaplamalarında dokuz tane element, Na, Al, V, Zn, As, Sb, Se ve Pb kaynaklan işaretleyiciler olarak kullanıldılar. Her bir kaynağın Na, Al, V, Zn, As, Sb, Se, Pb, Mg, CI, K, Cr, Mn, Fe Co, Ni, Br, Cs, La, Ce, Sm, Eu ve Hg gibi ölçülen elementlerin her birisinin konsantrasyonlarına olan katkılan hesaplandı. Ölçülen elementlerin oksitleri göz önüne alınarak ince taneli parçacıkların toplam kütlesi hesaplandı. Toprak ilişkili kaynaklar birleştirilerek yer kabuğunu temsil eden tek bir kompozisyon oluşturuldu. Geriye kalan, kömür yanması, yer kabuğu, fuil oil yanması ve motorlu taşıt kaynaklarının ince tanecikli toplam kütleye olan katkılan kimyasal kütle dengesi kullanılarak hesaplandı. Motorlu taşıt katkısının en az kömür yanması kadar önemli bir kirletici kaynağı olduğu bulgulandı. Anahtar Kelimeler: Eser Elementler, Ankara'da Hava Kirliliği, Alıcı Ortam Modellemesi, Faktör Analizi, Kimyasal Kütle Dengesi, Nötron Aktivasyon Analizi, İnversiyon Yüksekliği, Karışım Derinliği. Anabilim Sayısal Kodu: 405.03.01 viii

ABSTRACT SOURCE APPORTIONMENT OF URBAN AEROSOLS USING RECEPTOR MODELLING APPROACH: AN APPLICATION TO ANKARA Mustafa YATIN Ph.D. in Chemistry Supervisor: Prof.Dr. Namık K. Aras Co-Supervisor: Doç.Dr.Semra G. Tuncel November, 1994, 244 pages In this study, ambient trace element levels in Ankara atmosphere were determined by instrumental neutron activation analysis, electrothermal atomization atomic absorption spectrometry and ion chromatograrphy in 1989 and 1993. In 1993, aerosols were collected in fine and coarse fractions, fine being less than 2.5 jum in diameter. The daily variations of the elements were investigated. All elements have shown log normal distribution patterns. The elements such as V and Ni related to oil combustion and chalcophile elements such as As, Se, Sb, Zn and Mn have found in higher concentrations in heating period. The lithophile elements such as Al, Fe, Sc and Ce have shown an opposite trend in non heating period due to the wind blown dust. The relations between the meteoroligical parameters and the daily variations of the trace elements and the major ions were investigated in detail. Due to the low wind speeds, the diffusion of pollutants in the atmosphere have found to be mixing height controlled. iiiThe enrichment factors of the elements were investigated with respect to earth crust, coal, oil and motor vehicle emissions. The sources contributing to trace elements and major ions of fine fraction aerosols were apportioned by factor analysis and chemical mass balance based receptor modelling approach. Factor analysis has resulted in six factors explaining 76% of the total variance. The first factor is a mixed coal combustion and industrial sources which is loaded with As, Zn, Se, S04=, Hg, Ni and Mn. The second factor is a contaminated surface soil factor and loded with lithophilic elements such as Al, Sc, Ce, Fe and Mg. The third factor was explained as salted soil dust due to its loading with Mn, La, Al, Fe, Mg Na and CI. The fourth factor is a motor vehicle emission factor and dominantly loaded by Pb and Br. The fifth factor is oil and have V and Ni as highly loaded elements. The sixth factor was explained by the construction and excavation facilities due to its loading with Mn, La, Sc and Al. The relations between the factor scores of meteorological parameters with six factor scores were investigated. The well ventilated air have been found to be a diluting factor for heat related pollutants and wind blown dust were effected by increasing daily temperature in 1993. After identification of the sources the chemical mass balance calculations were applied to find the contributions. Further computations with FA recovered the quantitative information and the source profiles were extracted. The calculated source profiles were used as the basis in choosing the real source profiles from different compilations. The chemical mass balance calculations were carried out by using the source profiles which were estimated via the absolute zero factor score calculations. The nine elements, Na, Al, V, Zn, As, Sb, Se and Pb were used as the marker elements throughout the CMB calculations. The contributions ivof each sources on the all measured elements, i.e., Na, Al, V, Zn, As, Sb, Se,Pb, Mg, CI, K, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Br, Cs, La, Ce, Sm, Eu and Hg were calculated. The total mass for each of the fine fraction aerosol samples were estimated by taking the oxides of the measured elements. The soil related sources were combined to one source composition to represent the earth crust. The contributions of the remaining coal combustion, crust, motor vehicle and oil combustion sources to the total fine particulate mass were estimated by CMB. The motor vehicle emission was found to be an important component contributing to the fine mass as much as coal combustion emission. Keywords: Trace Elements, Air Pollution in Ankara, Receptor Modelling, Factor Analysis, Chemical Mass Balance, Enrichment Factors, Instrumental Neutron Activation Analysis, Meteorology and Air Pollution, Mixing Height, Inversion Height. Science Code: 405.03.01