Desenvolupament i aplicació de metodologies analítiques i quimiomètriques per a l’estudi de la contaminació atmosfèrica

Abstract

En aquesta Tesi s’han estudiat les fonts d’emissió de diversos contaminants atmosfèrics, principalment a l’àrea de Barcelona. Els contaminants estudiats han estat l’òxid de nitrogen (NO), compost tòxic que s’emet en grans quantitats pels vehicles a causa de la combustió, l’ozó, que té naturalesa oxidant, i es troba molt relacionat amb la presència d’òxids de nitrogen, i diversos contaminants orgànics presents en el material particulat atmosfèric. Entre els contaminants orgànics estudiats hi ha alguns de més tòxics com són els hidrocarburs aromàtics policíclics (PAH), i d’altres presents al medi, però amb menor impacte sobre la salut, com són els àcids dicarboxílics o els productes derivats de l’oxidació de l’isoprè o l’alfa-pinene.

Les taules de dades corresponents a les concentracions de NO i O(3) s’han obtingut a partir de les bases de dades del departament de medi ambient de la Generalitat de Catalunya. Els contaminants orgànics s’han determinat en mostres de material particulat obtingudes de campanyes de seguiment ambiental a les ciutats de Barcelona i Los Angeles. Aquests compostos han estat determinats experimentalment al laboratori, mitjançant la seva extracció i anàlisi amb cromatografia de gasos acoblada a espectrometria de masses.

L’ús de la quimiometria ha permès interpretar i simplificar la gran quantitat de dades obtingudes en els estudis de seguiment ambiental realitzats en aquesta Tesi. Depenent de la informació que s’ha volgut obtenir en cada estudi, les taules de dades s’han disposat en matrius de dades augmentades en dos direccions (two-way) i en alguns casos també en estructures en tres direccions (three-way). S’han aplicat diferents mètodes quimiomètrics, entre els que ha destacat el mètode de resolució multivariant de corbes per mínims quadrats alternats (MCR-ALS). L’aplicació d’aquest mètode amb diferents tipus de restriccions com la no-negativitat i la trilinearitat ha permès estimar les fonts d’emissió i de distribució geogràfica i temporal dels contaminants en les regions estudiades.

S’ha descrit amb detall els perfils de variació temporal (diària i anual) de les fonts d’emissió de NO i O(3) a la ciutat de Barcelona i a diferents regions de Catalunya. S’ha trobat que les principals fonts d’emissió de contaminants atmosfèrics són antropogèniques, i s’ha confirmat que el tràfic de vehicles és un dels principals emissors dels contaminants estudiats. Altres fonts de contaminació de compostos orgànics trobades en material particulat han estat la crema de biomassa, els productes d’oxidació de l’isoprè i l’alfa-pinene, i els àcids dicarboxílics, que poden tenir tant orígens biogènics com antropogènics.

In this Thesis, emission sources of several air contaminants have been mainly studied in the area of Barcelona. The studied contaminants were nitrogen oxide (NO), ozone (O3), and some organic pollutants in particulate matter. Among the considered organic pollutants, some were toxic, such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), and others were present in the environment, but with less impact on human health, such as dicarboxylic acids or oxidation products of isoprene and alpha-pinene.

Data corresponding to the concentrations of NO and O3 were obtained from data bases of the Environmental Department of the Generalitat of Catalonia. Organic pollutants were determined in particulate matter samples, acquired in different environmental monitoring campaigns in the cities of Barcelona and Los Angeles. These organic pollutants were analyzed experimentally in the laboratory by ultrasonical extraction and gas chromatography coupled with mass spectrometry.

The use of chemometrics allowed interpreting and simplifying the large amount of data obtained in this Thesis from different environmental monitoring studies. Data tables were arranged in two directions (two-way) in augmented data matrices and in some cases in structures in three directions (three-way), depending on the method used for their analysis. In this Thesis, Multivariate Curve Resolution Alternating Least Squares (MCR-ALS) was the more used chemometric method. The application of different types of constraints in MCRALS, such as non-negativity and trilinearity, allowed the estimation of the emission sources of the investigated contaminants and the estimation of their geographical and temporal distribution in the studied regions.

Temporal variation profiles (daily and annual) for emission sources of NO and O(3) were described in detail in Barcelona city and in different regions of Catalonia. Contamination sources of organic pollutants found in particulate matter were biomass burning, primary anthropogenic emissions, dicarboxylic acids and oxidation products of isoprene and alpha-pinene. Vehicle traffic was confirmed to be the major anthropogenic source of studied pollutants.