Metal and particle analysis of ambient air in Mo i Rana using moss-bags as passive sampler

Abstract

Mo i Rana har perioder gjennom året med utfordringer tilknyttet luftforurensning, spesielt på vinteren. Denne oppgaven går ut på å undersøke egnethet av mose, som er en passiv prøvetaker til å studere metallbelastning og utføre partikkelanalyse i Mo i Rana. For å forenkle partikkelanalysen ble det utviklet en automatisk metode i varierende trykk modus i sveipelektronmikroskop (VP-SEM) (Hitachi SU6600 med Bruker X-Flash 5010 detektor). Resultatene ble brukt til å undersøke metallbelastning og partikler deponert på mose for å øke kunnskapen om luftforurensning i Mo i Rana. Fra tidligere studier er det kjent at industrien i Mo i Rana er en hovedbidragsyter til luftforurensning i området. I denne studien er det hengt ut mosenett (laget med mosearten Hylocomium splendens) 2 meter over bakken, i område rundt industrien og utover i byen i Mo i Rana. Mikrobølgedekomponerte prøver av mosen ble analysert med ICP-MS (Agilent 8800qqq) for å bestemme anrikningsfaktor for utvalgte metall beregnet i forhold til tre ueksponerte moseprøver. Fire av prøvene med høyest anrikningsfaktor ble analysert med VPSEM. Elever ved Polarsirkelen videregående skole bidro i prøvetakingen ved å preparere og henge ut mosenett i et spredt område av byen. Elevprøvene ble delt inn i tre soner. Resultatene indikerer at mose er en egnet prøvetaker for partikler, og til metallanalyse for å studere metallbelastning tilknyttet grovfraksjonspartikler (1-10 μm) og metall tatt opp av mose. Bulkanalyseresultatene viste god nøyaktighet og presisjon for de fleste bestemte grunnstoff. Prinsipal-komponent-analyse (PCA) ble brukt som statistisk metode for å gruppere metallene. Dette gav fordeling av metall til tre grupper tolket som industrikomponent, jordsmonn og biologisk materiale. I partikkelanalysen ble det detektert metallpartikler i både finfraksjon (0.2-1 μm) og grovfraksjon med en forskjell i partikkelsammensetningen i de ulike prøvepunktene. Et viktig funn fra partikkelanalysen var at mangan hovedsakelig detekteres i finfraksjonen. Instrumentelle faktorer begrenset resultatene fra partikkelanalysen slik at det ikke kunne utføres en detaljert partikkelklassifisering. Den utviklede automatiske metoden med VP-SEM var lite egnet for analyse av partiklene i Mo i Rana fordi metoden ikke gav et klart skille mellom jord og industrielle partikler. Elevprøvene indikerte at sone 1 (boligområde nærmest industri) var påvirket av industrikomponenter, og at sone 2 (7-8 km nord for industri) ikke var påvirket av industrikomponenter. Det anbefales at luftkvaliteten i Mo i Rana undersøkes nærmere over en lengre prøveperiode. Luftprøver bør tas av fin- og grovfraksjonspartikler med en aktiv prøvetaker, både i byen og av uteluften på industriområdet tilknyttet arbeidsmiljø. ABSTRACT: The town of Mo i Rana in Norway experience time periods with high levels of air pollution, especially during winter. This thesis investigates atmospheric deposition of metals and particulate matter on moss-bags. The aim was to find out if moss is a suitable sampler for particle analysis and to study metal load in Mo i Rana. An automated method with variable pressure scanning electronmicroscopy (VP-SEM) (Hitachi SU6600 Bruker X-Flash 5010 detector) were developed for simplification of the particle analysis. The particle analysis and metal load results are used to improve knowledge of air pollution in Mo i Rana. Previous studies showed that the metal industries located in Mo i Rana are the main contributors to air pollution in the area. The present study investigates moss-bags (with Hylocomium splendes) placed 2 meters above ground located around the industrial area and throughout the town of Mo i Rana. Students from Polarsirkelen high school helped preparing and placing mossbags around the town, geographically divided into three zones. All samples were, after microwave digestion, analysed with inductively coupled plasma – mass spectrometry (ICP-MS) (Agilent 8800qqq) which showed good precision and accuracy for most of the metals. The results indicate that moss is a suitable sampler for investigation of metal load with respect to particle analysis and bulk measurement yielding information on coarse particles (1-10 μm) and metals taken up by moss. Principal component analysis (PCA) of the bulk measurements yielded three groups, interpreted as industrial, geogenic and biological component. Enrichment factors for selected elements were calculated relative to the mean of three unexposed mosssamples. Particle analysis, conducted on four samples with the highest enrichment factors, indicated metal particles in both coarse and fine (0.2-1 μm) particles. Metal composition in the particles differed between sample locations. An important finding in the particle analysis is that manganese particles mostly occur in the fine fraction in all samples. Instrumental factors limited the results obtained from the developed automated VP-SEM method, and made it unsuitable for a detailed particle classification. Industrial and geogenic components could not be differentiated with the automated method, which made it unsuitable for analysis of particles deposited on moss in Mo i Rana. The student-samples indicated industrial influence in zone 1 (close to the industry) and no industrial influence in zone 2 (7-8 km north in linear distance). Based on the results, that metals are found in both size fractions, it is advised to investigate the real exposure in the urban area with focus on exposure of the general population as well as inside the industrial area with focus on workplace exposure.M-MIN