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Metallic and Crustal Elements in Biomass-Burning Aerosol and Ash: Prevalence, Significance, and Similarity to Soil Particles
ACS Earth and Space Chemistry ( IF 2.9 ) Pub Date : 2020-12-23 , DOI: 10.1021/acsearthspacechem.0c00191 Leif G. Jahn 1 , Lydia G. Jahl 1 , Garret D. Bland 2 , Bailey B. Bowers 1 , Luke W. Monroe 1 , Ryan C. Sullivan 1
ACS Earth and Space Chemistry ( IF 2.9 ) Pub Date : 2020-12-23 , DOI: 10.1021/acsearthspacechem.0c00191 Leif G. Jahn 1 , Lydia G. Jahl 1 , Garret D. Bland 2 , Bailey B. Bowers 1 , Luke W. Monroe 1 , Ryan C. Sullivan 1
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The morphology and composition of laboratory-generated biomass-burning aerosol (BBA) and bottom ash particles from authentic fuels were determined using transmission and scanning electron microscopies (TEM/SEM) and single-particle inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometry (sp-ICP-ToF-MS). BBA particles with mineral material identified through elemental analysis using SEM represented 3–25% of the individual BBA particle numbers analyzed. This percentage varied depending on the fuel, with BBA from grass fuels containing more mineral particles than BBA from ponderosa pine wood. TEM analysis showed that these particles typically consist of carbonaceous material and a small (50–500 nm) region rich in nonvolatile elements. We also performed SEM/EDX analysis on soil, mineral BBA, and ash particles to measure Si:Al:Fe ratios and show that each of these particle classes possesses a different average bulk composition. However, individual particles within each population possess varying Si:Al:Fe ratios that may not be sufficiently unique to consistently determine particle sources from single-particle analysis. Mineral regions in BBA particles were similar in composition to residual bottom ash particles but were more likely to contain mixtures of nonvolatile elements, suggesting that ash particles typically underwent more complete combustion and mineralization. Multielement sp-ICP-ToF-MS analysis confirmed the presence of mineral particles in BBA, ash, and soil samples, with the most prevalent elements being the common crustal elements Al, Si, and Fe. Zn- and Ti-bearing particles were identified in both ash and soil samples, with more Zn present in ash particles and more Ti present in soil particles, suggesting that both of these types of particles would be prevalent in ambient measurements of BBA and biomass-burning impacted air masses. The mineral phases present in combustion-derived mineral phases are likely distinct from those present in soil-derived particles and may significantly affect the bulk properties of biomass-burning smoke. Both mineral BBA particles and lofted ash are likely sources of bioavailable iron and phosphorus that have been measured in biomass-burning emissions. These combustion-generated mineral phases are also important sources of ice-nucleating particles that have recently been reported in biomass-burning aerosol and bottom ash.
中文翻译：
生物量燃烧气溶胶和灰中的金属和地壳元素：普遍性，意义和与土壤颗粒的相似性
使用透射和扫描电子显微镜（TEM / SEM）以及单颗粒电感耦合等离子体飞行时间质谱仪（％/ s），确定了实验室产生的真实燃料产生的生物质燃烧气溶胶（BBA）和底灰颗粒的形态和组成（ sp-ICP-ToF-MS）。通过使用SEM进行元素分析确定的具有矿物材料的BBA颗粒占所分析的各个BBA颗粒数量的3–25％。该百分比因燃料而异，草燃料中的BBA比黄松木中的BBA含有更多的矿物颗粒。TEM分析表明，这些颗粒通常由碳质材料和富含非挥发性元素的小区域（50-500 nm）组成。我们还对土壤，矿物质BBA和灰分颗粒进行了SEM / EDX分析，以测量Si：Al：铁的比率，表明这些颗粒类别均具有不同的平均体积组成。但是，每个粒子中的单个粒子具有变化的Si：Al：Fe比，这些比可能不够独特，无法从单粒子分析中一致地确定粒子来源。BBA颗粒中的矿物质成分与残留的底灰颗粒相似，但更可能包含非挥发性元素的混合物，这表明灰颗粒通常会经历更完全的燃烧和矿化。多元素sp-ICP-ToF-MS分析证实BBA，灰分和土壤样品中存在矿物颗粒，其中最普遍的元素是常见的地壳元素Al，Si和Fe。在灰分和土壤样品中均鉴定出含锌和钛的颗粒，在灰分颗粒中存在更多的Zn，在土壤颗粒中存在更多的Ti，这表明这两种类型的颗粒在BBA的环境测量和燃烧生物质的空气质量中都很普遍。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。这表明，这两种类型的颗粒在BBA的环境测量和生物质燃烧影响的空气质量中都是普遍存在的。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。这表明，这两种类型的颗粒在BBA的环境测量和生物质燃烧影响的空气质量中都是普遍存在的。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。
更新日期：2021-01-21
中文翻译：
生物量燃烧气溶胶和灰中的金属和地壳元素：普遍性，意义和与土壤颗粒的相似性
使用透射和扫描电子显微镜（TEM / SEM）以及单颗粒电感耦合等离子体飞行时间质谱仪（％/ s），确定了实验室产生的真实燃料产生的生物质燃烧气溶胶（BBA）和底灰颗粒的形态和组成（ sp-ICP-ToF-MS）。通过使用SEM进行元素分析确定的具有矿物材料的BBA颗粒占所分析的各个BBA颗粒数量的3–25％。该百分比因燃料而异，草燃料中的BBA比黄松木中的BBA含有更多的矿物颗粒。TEM分析表明，这些颗粒通常由碳质材料和富含非挥发性元素的小区域（50-500 nm）组成。我们还对土壤，矿物质BBA和灰分颗粒进行了SEM / EDX分析，以测量Si：Al：铁的比率，表明这些颗粒类别均具有不同的平均体积组成。但是，每个粒子中的单个粒子具有变化的Si：Al：Fe比，这些比可能不够独特，无法从单粒子分析中一致地确定粒子来源。BBA颗粒中的矿物质成分与残留的底灰颗粒相似，但更可能包含非挥发性元素的混合物，这表明灰颗粒通常会经历更完全的燃烧和矿化。多元素sp-ICP-ToF-MS分析证实BBA，灰分和土壤样品中存在矿物颗粒，其中最普遍的元素是常见的地壳元素Al，Si和Fe。在灰分和土壤样品中均鉴定出含锌和钛的颗粒，在灰分颗粒中存在更多的Zn，在土壤颗粒中存在更多的Ti，这表明这两种类型的颗粒在BBA的环境测量和燃烧生物质的空气质量中都很普遍。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。这表明，这两种类型的颗粒在BBA的环境测量和生物质燃烧影响的空气质量中都是普遍存在的。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。这表明，这两种类型的颗粒在BBA的环境测量和生物质燃烧影响的空气质量中都是普遍存在的。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。燃烧衍生的矿物相中存在的矿物相可能与土壤衍生的颗粒中存在的矿物相不同，并且可能会显着影响生物质燃烧烟气的整体性质。矿物质BBA颗粒和膨体灰分都是可能的生物利用铁和磷的来源，已通过生物量燃烧排放进行了测量。这些燃烧产生的矿物相也是冰核颗粒的重要来源，最近已在燃烧生物质的气溶胶和底灰中报道了这些冰核颗粒。
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