Balanço mássico e caracterização da matéria orgânica de aerossóis atmosféricos

Abstract

O objectivo geral do presente trabalho consistiu no desenvolvimento de uma nova metodologia analítica para a quantificação e caracterização estrutural da matéria orgânica solúvel em água (MOSA) de aerossóis atmosféricos. Foram efectuados balanços mássicos que permitiram descrever a importância das fracções de carbono elementar, MOSA e matéria orgânica insolúvel em água, na massa total de aerossóis atmosféricos recolhidos em diferentes áreas geográficas de Portugal (zona rural (Moitinhos), zona suburbana costeira (Aveiro), zona urbana e zona de fundo de centro urbano (Porto)). No caso da zona rural, foi dado especial relevo ao estudo dos efeitos de diferentes condições meteorológicas nas características estruturais da MOSA das partículas atmosféricas. A aplicação de um sistema de resinas XAD-8 e XAD-4, em série, permitiu efectuar uma extracção quantitativa da matéria orgânica dissolvida nos extractos aquosos e, simultaneamente, fraccionar essa matéria orgânica em duas componentes principais. A caracterização estrutural da MOSA dos aerossóis recolhidos na zona rural confirmaram o carácter heterogéneo deste tipo de matéria orgânica, traduzido por uma multiplicidade de grupos funcionais. De um modo geral, foi possível concluir que as estruturas alifáticas, as estruturas aromáticas, os grupos hidroxilo e os grupos carboxilo constituem funcionalidades comuns às amostras estudadas. Contudo, foi possível constatar que a MOSA dos aerossóis recolhidos nos períodos com baixas temperaturas exibem maior conteúdo em estruturas aromáticas e menor conteúdo em estruturas alifáticas, do que as amostras recolhidas nos períodos sazonais de temperaturas mais elevadas. A presença de unidades estruturais típicas de lenhinas nas amostras de MOSA dos períodos de Outono, Outono/Inverno e Inverno, coloca em evidência a importância dos processos de queima da madeira para aquecimento das habitações nas propriedades da MOSA das partículas atmosféricas. Relatam-se ainda os resultados obtidos no estudo das propriedades fluorescentes da MOSA das diversas amostras de aerossóis atmosféricos. A aplicação das técnicas bidimensionais de correlação espectroscópica homonuclear (COSY) e heteronuclear (HSQC e HMBC) em ressonância magnética nuclear (RMN) a uma amostra de MOSA de aerossóis recolhidos na zona rural, permitiu esclarecer e identificar as estruturas moleculares de algumas classes de compostos.

The main purpose of this work was to develop a new analytical procedure for the quantification and structural characterisation of water-soluble organic matter (WSOM) from atmospheric aerosols. A mass balance of aerosol samples collected at three Portuguese sites (rural (Moitinhos), suburban/coastal (Aveiro), urban and urban background (Oporto)) was performed in order to set the relative contribution of elemental carbon, WSOM and water-insoluble organic matter to the aerosol mass. In the rural area, an assessement of the influence of different meteorological conditions on the bulk structural characteristics of the aerossol WSOM was also conducted. Non-ionic macropourous XAD-8 and XAD-4 resins in tandem were successfully applied for the isolation and fractionation of WSOM from aerosol’s aqueous extracts. The structural characterization of aerosol WSOM samples collected in the rural area highlighted a highly complex mixture of functional groups. It was concluded that aliphatic and aromatic structures, hydroxyl groups and carboxyl groups are characteristic to all samples. However, aerosol WSOM samples collected during the colder periods do exhibit a higher aromatic content and lower aliphatic content than those collected during the summer periods. The presence of aromatic signals due to lignin-derived structures in the Autumn, Autumn/Winter and Winter samples, put into evidence the major contribution of biomass burning processes in domestic fireplaces, during low temperature conditions, into the bulk chemical properties of WSOM from aerosols. Fluorescence studies of the aerosol WSOM samples collected at the three sampling sites are also reported. Two-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) methods, homonuclear correlated spectroscopy (COSY) and heteronuclear correlated spectroscopy (HSQC and HMBC), were also applied in order to accomplish a better understanding of the nature of structural moieties of a WSOM sample collected in the rural location.