Ατμοσφαιρική οξύτητα και σχηματισμός σωματιδιακών νιτρικών αλάτων

Atmospheric particles, also known as atmospheric aerosols, are suspended particles (liquid or solid) with diameters ranging from a few nanometers to 100 μm. Atmospheric aerosols affect the Earth’s radiant budget and hence the global climate through their direct and indirect radioactive effects, and also have a negative impact on human health. They can be classified as primary (emitted directly in the particulate phase) or secondary (formed in the atmosphere via chemical reactions involving gas-phase precursors). Atmospheric particles consist of a mixture of inorganic and organic chemical compounds, including nitrate, sulfate, ammonium, organic compounds, elemental carbon, sea salt, soil and water dust, with nitrates being one of the most important inorganic compounds of particles in polluted areas. Acidity is an important atmospheric aerosol property that drives a series of processes related to gas-particle partitioning and heterogeneous chemistry. pH affects the nitrogen cycle through the HNO3/NO3- and NH3/NH4+ gas-particle partitioning. Adverse health outcomes have been linked to strong aerosol acidity by some studies, like respiratory diseases and lung and laryngeal cancers in humans. Chemical transport models are tools well suited for the simulation and detailed study of atmospheric processes. Historically, chemical transport models have had major problems in reproducing the observed aerosol nitrate concentrations in both the US and Europe. Also, it is important that even though aerosol pH affects many processes, the size-dependence of the aerosol pH is not simulated in detail by chemical transport models.This thesis uses the 3-D chemical transport model PMCAMx over US with high grid resolution and in combination with a Plume-in-Grid sub-model to improve the aerosol nitrate predictions. Also, size-resolved aerosol pH predictions over Europe during May 2008 were made for the first time and their variation with time, height, presence of dust is studied, along with their impact on inorganic nitrate.Τα αιωρούμενα ατμοσφαιρικά σωματίδια, γνωστά και ως ατμοσφαιρικά αεροζόλ, είναι στερεά ή υγρά και έχουν διαμέτρους που κυμαίνονται από μερικά νανόμετρα έως και 100 μικρόμετρα (μm). Τα ατμοσφαιρικά σωματίδια επηρεάζουν το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης και συνεπώς το κλίμα σε παγκόσμια κλίμακα τόσο άμεσα όσο και έμμεσα, ενώ έχουν ιδιαίτερα αρνητικές επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία. Μπορούν να ταξινομηθούν ως πρωτογενή (εκπεμπόμενα απευθείας στη σωματιδιακή φάση) ή δευτερογενή (σχηματίζονται στην ατμόσφαιρα μέσω μιας σειράς χημικών αντιδράσεων αερίων οργανικών ενώσεων). Τα ατμοσφαιρικά σωματίδια αποτελούνται από ένα μείγμα ανόργανων και οργανικών χημικών ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων των νιτρικών, θειικών, αμμωνιακών, οργανικών ενώσεων, στοιχειακού άνθρακα, θαλάσσιου άλατος, σκόνης εδάφους και νερού, με τα νιτρικά να αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα ανόργανα συστατικά των σωματιδίων σε περιοχές με υψηλή συγκέντρωση ρύπων. Η οξύτητα είναι μια σημαντική σωματιδιακή ιδιότητα που επηρεάζει πολλές διεργασίες που σχετίζονται με τον καταμερισμό μεταξύ αέριας και σωματιδιακής φάσης και την ετερογενή χημεία. Το pH επηρεάζει τον κύκλο των νιτρικών μέσω του καταμερισμού μεταξύ αέριας-σωματιδιακής φάσης των HNO3/NO3- και NH3/NH4+. Σημαντικά προβλήματα υγείας έχουν παρατηρηθεί λόγω ισχυρής οξύτητας, όπως αναπνευστικά προβλήματα και καρκίνος πνεύμονα και λάρυγγα στους ανθρώπους. Κατάλληλα εργαλεία για την προσομοίωση και λεπτομερή μελέτη των ατμοσφαιρικών διεργασιών αποτελούν τα μοντέλα χημικής μεταφοράς. Ιστορικά, τα μοντέλα χημικής μεταφοράς έχουν πρόβλημα στο να αναπαράγουν τις παρατηρούμενες συγκεντρώσεις νιτρικών, οδηγώντας σε υπερ-πρόβλεψή τους τόσο σε Αμερική όσο και σε Ευρώπη. Επίσης, είναι σημαντικό πως ενώ το σωματιδιακό pH επηρεάζει πολλές διεργασίες, δεν προβλέπεται λεπτομερώς συναρτήσει του μεγέθους των σωματιδίων από τα μοντέλα χημικής μεταφοράς. Η εργασία αυτή χρησιμοποιεί το τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς PMCAMx στην Αμερική με υψηλή ανάλυση πλέγματος καθώς και σε συνδυασμό με ένα υπομοντέλο θυσάνου προκειμένου να βελτιωθούν οι προβλέψεις των σωματιδιακών νιτρικών. Επιπλέον, πραγματοποιούνται για πρώτη φορά προβλέψεις pH για διάφορα μεγέθη σωματιδίων στην Ευρώπη το Μάιο 2008 και μελετάται η μεταβολή τους με το χρόνο, το ύψος, την ύπαρξη σκόνης, καθώς και η επίπτωσή τους στα σωματιδιακά νιτρικά

Size-resolved aerosol pH over Europe during summer

The dependence of aerosol acidity on particle size, location, and altitude over Europe during a summertime period is investigated using the hybrid version of aerosol dynamics in the chemical transport model PMCAMx. The pH changes more with particle size in northern and southern Europe owing to the enhanced presence of non-volatile cations (Na, Ca, K, Mg) in the larger particles. Differences of up to 1-4 pH units are predicted between sub- and supermicron particles, while the average pH of PM1-2.5 can be as much as 1 unit higher than that of PM1. Most aerosol water over continental Europe is associated with PM1, while coarse particles dominate the water content in the marine and coastal areas due to the relatively higher levels of hygroscopic sea salt. Particles of all sizes become increasingly acidic with altitude (0.5-2.5 units pH decrease over 2.5 km) primarily because of the decrease in aerosol liquid water content (driven by humidity changes) with height. Inorganic nitrate is strongly affected by aerosol pH with the highest average nitrate levels predicted for the PM1-5 range and over locations where the pH exceeds 3. Dust tends to increase aerosol pH for all particle sizes and nitrate concentrations for supermicron range particles. This effect of dust is quite sensitive to its calcium content. The size-dependent pH differences carry important implications for pH-sensitive processes in the aerosol

Biodegradation of polyphenolic compounds from olive mill wastewaters (OMW) during two-stage anaerobic co-digestion of agro-industrial mixtures

Summarization: Due to OMW toxicity, low pH values, polyphenols, oils and fats content, and high organic load their uncontrolled disposal to the sea, rivers and soil causes problems to both environment and public health. Olive mill wastewater (OMW) is a phenolic-rich industrial effluent that can be advantageously valorized by the anaerobic digestion to the methane and agricultural fertilizer productions. The aim of this study was to determine the influence of anaerobic co-digestion of OMW in mixture with cheese whey (CW) and liquid cow manure (LCM) on phenolic fraction derived from OMW. Total phenol content of the two-stage anaerobically co-digested agro-industrial mixtures was significantly decreased (up to 50% degradation for both mixtures in a ratio of 55% OMW:40% CW:5% LCM, v/v/v and 80% OMW:20% CW). Main phenolic compounds namely Gallic acid, hydroxytyrosol, tyrosol, p-coumaric acid and oleuropein were identified in OMW samples. All five individual phenols in all OMW mixtures were degraded to a large extent (80% degradation for the mixture in a ratio of 55 OMW:40 CW:5% LCM and 80 OMW:20% CW and 100% degradation for 20 OMW:80% LCM.Παρουσιάστηκε στο: Waste and Biomass Valorizatio