Research Collection. The effects of organic compounds on the hygroscopic properties of inorganic aerosols. Doctoral Thesis.

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1 Research Collection Doctoral Thesis The effects of organic compounds on the hygroscopic properties of inorganic aerosols Author(s): Zardini, Alessandro A. Publication Date: 2006 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH No The effects of organic compounds on the hygroscopic properties of inorganic aerosols A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Seiences presented by ALESSANDRO ZARDINI Degree in Physics, Univ. Padova, Italy born 9th January 1973 citizen of Verona, Italy accepted on the recommendation of Prof. Dr. Thomas Peter, examiner Prof. Dr. Thomas Leisner, co-examiner Dr. Ulrich K. Krieger and Dr. Emest Weingartner, co-examiners 2007

3 Prefazione In atmosfera e' presente materiale di natura organica sia sotto forma di gas ehe di materia condensata. Nelle ultime decadi sono state identificate e abbondantemente studiate le sorgenti naturali, come la vegetazione, e antropiche, come la combustione di biomassa e carburanti, di questo materiale. Lo studio degli effetti dei composti organici nelle particel1e aerosol e' importante per svariate ragioni: gli organici alterano la capacita' di assorbimento di vapor acqueo da parte di aerosol inorganici (igroscopia), e percio' giocano un ruolo fondamentale nell'effetto indiretto degli aerosol sul budget radiativo del pianeta. Possono inoltre provocare limitazioni al trasferimento di massa tra la fase gassosa e condensata formando una pellicola sulla superficie delle particelle aerosol oppure complessificando la morfologia stessa della partielella. Infine alterano le proprieta' ottiche e la chimica eterogenea degli aerosol inorganici. Negli ultimi anni, una crescente attenzione e' stata riservata al fine di eomprendere come i composti organici inftuenzino I' igroscopia degli aerosol inorganici. In questo studio sono state investigate le proprieta' igroseopiche degli aersol inorganici/organici per mezzo della teenica del bilancio elettrodinamico (EDB). 11 contenuto di queste lavoro e' focalizzato principalmente su110 studio di due sistemi inorganici/organici: solfato d'ammonio I acido citrico (AS+CA) e solfato d'ammonio e acida adipico. 11 solfato d'ammonio e' il piu' importante componente inorganico dgli aerosol atmosferici e le sue proprieta' termodinamiche sono ben comprese e ineluse nei modelli numerici. L'acido citrico e l'acido adipico sono composti organici con rispettivamente alta e bassa solubilita' in acqua. Per il nostro studio questo significa ehe partieelle di puro acido citrico rimangono liquide nell'edb a qualsiasi umidita' relativa, mentre quel1e di puro acido adipico sono presenti in fase solida, Sono stati compiuti numerosi cieli igroscopici (eseguiti variando l'umidita' relativa da valori molto bassi a molto alti e viceversa) su queste partieelle miste e i risultati sonn stati analizzati e confrontati eon i dati disponibili in letteratura. E' stata riservata una speciale attenzione al1'analisi del sistema AS+AA ehe beneficia dei risultati di uno 1

4 2 Prefazione studio parallelo sugli aerosol misti inorganici/organici compiuto utilizzando un'altra tecnica sperimentale, l'analizzatore igroscopico differenziale di mobilita' montato in tandem (H~TDMA). Per quanto riguarda i1 sistema AS+CA, le caratteristiche generali si sono rivelate essere una depressione sia della umidita' di cristallizzazione ehe di quella di fusione dei solfato d'ammonio e 1a presenza di un assorbimento di acqua prima della fusione. Invece, il caso AS+AA mostra importanti effetti morfologici ehe alterano la cinetica del sistema. Inoltre, e' stata sviluppata una nuova teenica basata sulle risonanze ottiche di Mie al fine di misurare bassissime pressioni di vapore di sostanze (come gli organici) in aerosol acquosi; queste pressioni dipendono dall'umidita' relativa e quindi dalla concentrazione della soluzione acquosa nella particella aerosol, I risultati di questa investigazione sono utili per calcolare la ripartizione gas-particella e particella-particella in atrnosfera e sono stati apllicati a1 caso specifico dell' acido oxalico.

5 Abstract Organic material is present in the atmosphere both in the gas phase and as condensed matter. Biogenie sources like vegetation, and anthropogenie ones like biomass burning and fossil fuel combustion have been identified and studied thoroughly during the last decades. The study of organic compounds in aerosol particles is important for several reasons: some organics take up water and affect the inorganic aerosol capability of uptaking it (hygroscopicity); hence, they playa role in the direct and indirect aerosol effect on the radiation budget of the earth. They may induce mass transfer limitations between gas and particle phase by forming a film on the partic1e surface, or by changing the morphology of the partic1es. In addition they alter the optical properties and the heterogeneous chemistry of inorganic aerosol particles. In these last years, increasing attention has been paid to the understanding of how organic compounds affect the hygroscopicity of inorganic aerosols, In this study the hygroscopic properties of inorganic/organic single aerosol particles have been investigated with an electrodynamic balance (EDB). Two inorganic/organic systems are the main subject of this work: ammonium sulfate / citric acid (AS+CA), and ammonium sulfate / adipic acid (AS+AA). Ammonium sulfate is a major inorganic component of atmospheric aerosols, and its thermodynamic properties are weh understood and modelled. Citric acid and adipic acid are organic compounds with a high and low solubility in water, respectively, This causes a pure citric acid particle in the EDB to stay liquid at every relative humidity (continuous water uptake), whereas a pure adipic acid one is always solid (negligible water uptake). Hygroscopicity cycles of these mixtures (with several mixing ratios of the solution) were performed and thc results analyzed and compared with bulk and literature data. Special attention was paid to the analysis of the AS+AA mixture which benefit from the results of a companion study on inorganic/organic aerosol made with an hygroscopicity tandem differential mobility analyzer (H-TDMA). For AS+CA mixtures the general features are a depression of both the deliquescence 3

6 4 Abstract and efflorescence relative humidities of AS and water uptake at low relative humidity, whereas the AS+AA case shows important morphology effects which alter the kinetics of the system. In addition, a novel technique based on the analysis of Mie resonances of a particle in the EDB was developed in order to measure low vapor pressure of compounds (i.e. the organics) in aqueous solution particles, as a function of relative humidity, and hence on the concentration of the particle. The results of this investigation were also used for determining the gas-to-particle and particle-to-particle partitioning of oxalic acid in the atmosphere.