Online single particle analysis of chemical composition and mixing state of crop straw burning particles: from laboratory study to field measurement

Abstract

Fresh straw burning (SB) particles were generated in the laboratory by the combustion of rice straw and corn straw. The chemical composition and mixing state of the fresh SB particles were investigated by an Aerosol Time-of-Flight Mass Spectrometer (ATOFMS). Based on the mass spectral patterns, the SB particles were clustered into four major types: Salt, Organic Carbon (OC), Elemental Carbon (EC), and internally mixed particles of EC and OC (EC-OC). In addition, particles containing ash, polycyclic aromatic hydrocarbons, heavy metals or nicotine were also observed. Physical and chemical changes of the SB particles immediately after the emission were analyzed with highly time-resolved data. During the aging processes, the average particle size increased steadily. Freshly emitted organic compounds were gradually oxidized to more oxygenated compounds in the OC-containing particles. Meanwhile, an important displacement reaction (2KCl+ \mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}-}→ K₂SO₄ + 2Cl⁻) was observed. The marker ions for SB particles were optimized and applied to identify the SB particles in the ambient atmosphere. The fluctuation of the number fraction of ambient SB particles sorted by ATOFMS agrees well with that of water soluble K⁺ measured by an online ion chromatography, demonstrating that the optimized marker ions could be good tracers for SB particles in field measurements.

Keywords

crop straw burning particles / mixing state / aging process / ATOFMS / ion markers

References

[1] Crutzen P J, Andreae M O. Biomass burning in the tropics: impact on atmospheric chemistry and biogeochemical cycles. Science, 1990, 250(4988): 1669–1678

[2] Hobbs P V, Reid J S, Kotchenruther R A, Ferek R J, Weiss R. Direct radiative forcing by smoke from biomass burning. Science, 1997, 275(5307): 1776–1778

[3] Watson J G. Visibility: science and regulation. Journal of the Air & Waste Management Association, 2002, 52(6): 628–713

[4] Streets D G, Yarber K F, Woo J H, Carmichael G R. Biomass burning in Asia: annual and seasonal estimates and atmospheric emissions. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17(4): 1099 

[5] Gadde B, Bonnet S, Menke C, Garivait S. Air pollutant emissions from rice straw open field burning in India, Thailand and the Philippines. Environmental Pollution, 2009, 157(5): 1554–1558

[6] Ryu S Y, Kim J E, Zhuanshi H, Kim Y J, Kang G U. Chemical composition of post-harvest biomass burning aerosols in Gwangju, Korea. Journal of the Air & Waste Management Association, 2004, 54(9): 1124–1137 doi:10.1080/10473289.2004.10471018

[7] Zhang H F, Ye X N, Cheng T T, Chen J M, Yang X, Wang L, Zhang R Y. A laboratory study of agricultural crop residue combustion in China: emission factors and emission inventory. Atmospheric Environment, 2008, 42(36): 8432–8441

[8] Cao G L, Zhang X Y, Wang Y Q, Zheng F C. Estimation of emissions from field burning of crop straw in China. Chinese Science Bulletin, 2008, 53(5): 784–790

[9] Qin Y, Xie S D. Historical estimation of carbonaceous aerosol emissions from biomass open burning in China for the period 1990–2005. Environmental Pollution, 2011, 159(12): 3316–3323

[10] Li X, Wang S, Duan L, Hao J, Li C, Chen Y, Yang L. Particulate and trace gas emissions from open burning of wheat straw and corn stover in China. Environmental Science & Technology, 2007, 41(17): 6052–6058

[11] Reid J S, Koppmann R, Eck T F, Eleuterio D P. A review of biomass burning emissions, Part II: Intensive physical properties of biomass burning particles. Atmospheric Chemistry and Physics, 2005, 5(3): 799–825

[12] Healy R M, Hellebust S, Kourtchev I, Allanic A, O'Connor I P, Bell J M, Healy D A, Sodeau J R, Wenger J C. Source apportionment of PM_2.5 in Cork Harbour, Ireland using a combination of single particle mass spectrometry and quantitative semi-continuous measurements. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010, 10(19): 9593–9613

[13] Zauscher M D, Wang Y, Moore M J K, Gaston C J, Prather K A. Air quality impact and physicochemical aging of biomass burning aerosols during the 2007 San Diego wildfires. Environmental Science & Technology, 2013, 47(14): 7633–7643

[14] Pratt K A, Murphy S M, Subramanian R, DeMott P J, Kok G L, Campos T, Rogers D C, Prenni A J, Heymsfield A J, Seinfeld J H, Prather K A. Flight-based chemical characterization of biomass burning aerosols within two prescribed burn smoke plumes. Atmospheric Chemistry and Physics, 2011, 11(24): 12549–12565

[15] Prather K A, Nordmeyer T, Salt K. Real-time characterization of individual aerosol-particles using time-of-flight mass-spectrometry. Analytical Chemistry, 1994, 66(9): 1403–1407

[16] Yang F, Chen H, Wang X N, Yang X, Du J F, Chen J M. Single particle mass spectrometry of oxalic acid in ambient aerosols in Shanghai: mixing state and formation mechanism. Atmospheric Environment, 2009, 43(25): 3876–3882

[17] Wang X, Williams B J, Wang X, Tang Y, Huang Y, Kong L, Yang X, Biswas P. Characterization of organic aerosol produced during pulverized coal combustion in a drop tube furnace. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013, 13(21): 10919–10932

[18] Bi X H, Zhang G H, Li L, Wang X M, Li M, Sheng G Y, Fu J M, Zhou Z. Mixing state of biomass burning particles by single particle aerosol mass spectrometer in the urban area of PRD, China. Atmospheric Environment, 2011, 45(20): 3447–3453

[19] Silva P J, Liu D Y, Noble C A, Prather K A. Size and chemical characterization of individual particles resulting from biomass burning of local Southern California species. Environmental Science & Technology, 1999, 33(18): 3068–3076

[20] Pagels J, Dutcher D D, Stolzenburg M R, McMurry P H, Gälli M E, Gross D S. Fine-particle emissions from solid biofuel combustion studied with single-particle mass spectrometry: Identification of markers for organics, soot, and ash components. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2013, 118(2): 859–870

[21] Song X H, Hopke P K, Fergenson D P, Prather K A. Classification of single particles analyzed by ATOFMS using an artificial neural network, ART-2A. Analytical Chemistry, 1999, 71(4): 860–865

[22] Gao S, Hegg D A, Hobbs P V, Kirchstetter T W, Magi B I, Sadilek M. Water-soluble organic components in aerosols associated with savanna fires in southern Africa: identification, evolution, and distribution. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2003, 108(D13): 8491

[23] McMeeking G R, Kreidenweis S M, Baker S, Carrico C M, Chow J C, Collett J L, Hao W M, Holden A S, Kirchstetter T W, Malm W C, Moosmuller H, Sullivan A P, Wold C E. Emissions of trace gases and aerosols during the open combustion of biomass in the laboratory. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2009, 114: D19210

[24] Hudson P K, Murphy D M, Cziczo D J, Thomson D S, de Gouw J A, Warneke C, Holloway J, Jost J R, Hubler G. Biomass-burning particle measurements: characteristic composition and chemical processing. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2004, 109(D23): D23S27

[25] Pósfai M, Simonics R, Li J, Hobbs P V, Buseck P R. Individual aerosol particles from biomass burning in southern Africa: 1. Compositions and size distributions of carbonaceous particles. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2003, 108(D13): 8483

[26] Kulmala M, Dal Maso M, Mäkelä J M, Pirjola L, Väkevä M, Aalto P, Miikkulainen P, Hämeri K, O'Dowd C D. On the formation, growth and composition of nucleation mode particles. Tellus. Series B, Chemical and Physical Meteorology, 2001, 53(4): 479–490

[27] Hennigan C J, Sullivan A P, Collett J L Jr, Robinson A L. Levoglucosan stability in biomass burning particles exposed to hydroxyl radicals. Geophysical Research Letters, 2010, 37(9): L09806

[28] Kessler S H, Smith J D, Che D L, Worsnop D R, Wilson K R, Kroll J H. Chemical sinks of organic aerosol: kinetics and products of the heterogeneous oxidation of erythritol and levoglucosan. Environmental Science & Technology, 2010, 44(18): 7005–7010

[29] Li J, Pósfai M, Hobbs P V, Buseck P R. Individual aerosol particles from biomass burning in southern Africa: 2, Compositions and aging of inorganic particles. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2003, 108(D13): 8484

[30] Reid J S, Hobbs P V. Physical and optical properties of young smoke from individual biomass fires in Brazil. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 1998, 103(D24): 32013–32030

[31] Kreidenweis S M, Remer L A, Bruintjes R, Dubovik O. Smoke aerosol from biomass burning in Mexico: hygroscopic smoke optical model. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2001, 106(D5): 4831–4844

[32] Yokelson R J, Crounse J D, DeCarlo P F, Karl T, Urbanski S, Atlas E, Campos T, Shinozuka Y, Kapustin V, Clarke A D, Weinheimer A, Knapp D J, Montzka D D, Holloway J, Weibring P, Flocke F, Zheng W, Toohey D, Wennberg P O, Wiedinmyer C, Mauldin L, Fried A, Richter D, Walega J, Jimenez J L, Adachi K, Buseck P R, Hall S R, Shetter R. Emissions from biomass burning in the Yucatan. Atmospheric Chemistry and Physics, 2009, 9(15): 5785–5812

[33] Pekney N J, Davidson C I, Bein K J, Wexler A S, Johnston M V. Identification of sources of atmospheric PM at the Pittsburgh Supersite, Part I: Single particle analysis and filter-based positive matrix factorization. Atmospheric Environment, 2006, 40(Suppl. 2): 411–423

[34] Bein K J, Zhao Y, Johnston M V, Wexler A S. Identification of sources of atmospheric PM at the Pittsburgh Supersite—Part III: Source characterization. Atmospheric Environment, 2007, 41(19): 3974–3992

[35] Du H, Kong L, Cheng T, Chen J, Du J, Li L, Xia X, Leng C, Huang G. Insights into summertime haze pollution events over Shanghai based on online water-soluble ionic composition of aerosols. Atmospheric Environment, 2011, 45(29): 5131–5137

Acknowledgements

This work was supported by The National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21177027 and 41275126), Ministry of Science and Technology of China (2012YQ220113-4), the Science & Technology Commission of Shanghai Municipality (12DJ1400100, 14XD1400600), and the Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of Climate Change.ƒ

is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/ 10.1007/s11783-015-0768-z and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg