Ultrafine particles characterization from different transport sources

Abstract

(English) Ultrafine particles (UFP), defined as airborne particulates with an aerodynamic diameter smaller than 100 nm, are of particular concern due to their ability to penetrate deep into the respiratory system and even reach the brain directly via the olfactory bulb, with potential to cause a wide range of adverse health effects. In response to the growing evidence of health risks associated with UFP, the World Health Organization (WHO) has recently issued ‘Good practice statements’ emphasizing the need of integrating UFP in terms of particle number concentration (PNC) into existing air quality monitoring systems (WHO, 2021). In line with these recommendations, the new European Air Quality Directive (AQD, 2024/2881/EC) requires the monitoring of PNC and particle number size distribution (PNSD) in urban, and of PNC in rural supersites and pollution hotspots, including traffic, harbors, airports, and industry, among others (EU, 2024). In this context, the present PhD thesis investigates the concentrations, size (and some chemicals) patterns and source contributions of UFP in transport environments, including a review of existing literature on PNC-PNSD, as well as experimental studies conducted at an airport, harbor, road traffic and urban background (UB) in Barcelona (NE Spain) and a subway in Valencia (E Spain). The review aimed to assess the instruments used, analyze results, and identify knowledge gaps in PNC-PNSD across transport environments. It highlighted under-studied areas needing further investigation and provided key insights for the field campaigns. The findings identified road traffic as the main contributor to PNC in urban areas, with commuting modes influenced by proximity to traffic and meteorological conditions. It also emphasized the need for harmonizing measurement protocols due to significant variations in methods, particularly in lower (finer) particle size detection limits. The experimental studies revealed substantial variability in PNC and PNSD, driven by differences in emission sources and site-specific conditions. The airport recorded the highest PNC, dominated by aircraft activity, particularly taxiing and takeoff, while the subway exhibited the lowest. Nucleation mode particles (<25 nm) were especially elevated at the airport and road traffic site, indicating the influence of fresh emissions and secondary formation from gaseous precursors. In contrast, the harbor showed a dominant Aitken mode (25-100 nm) linked to ship emissions. Diurnal trends further reflected localized source activity, with distinct peaks observed in line with transport operations, except in the subway, where PNC remained relatively stable. PNSD was unimodal below 20 nm at the airport and traffic sites, unimodal around 20-30 nm at the harbor, and flatter at the subway, suggesting a lack of significant local sources of UFP. Notably, no second mode (40-90 nm), commonly associated to diesel emissions, was observed at the road traffic site, indicating a possible decline in larger diesel-related particles due to the implementation of EURO 5 and 6/V and VI standards and the Barcelona Low Emission Zone (LEZ). Source apportionment analyses confirmed aviation and shipping as dominant contributors to UFP at the airport and harbor, respectively, while chemical characterization revealed specific tracers such as aluminum (airport), chromium and barium (traffic), vanadium and nickel (harbor), and copper (subway), among others.

(Català) Les partícules ultrafines (UFP), definides com partícules en suspensió amb un diàmetre aerodinàmic < 100 nm, es distingeixen per la seva capacitat de penetrar profundament en el sistema respiratori i d'arribar directament al cervell a través del bulb olfactiu, amb alt potencial d’efectes adversos sobre la salut. En resposta a l'evidència científica creixent sobre els riscos per a la salut associats a les UFP, l'Organització Mundial de la Salut (OMS) ha publicat recentment directrius de bones pràctiques que destaca la necessitat d'incorporar la concentració numèrica de partícules (PNC) en els sistemes de monitoratge de la qualitat de l'aire existents (OMS, 2021). Conformement amb aquestes recomanacions, la nova Directiva de Qualitat de l'Aire de la Unió Europea (AQD; 2024/2881/EC) requereix l'obligatorietat de monitoritzar tant la PNC com la distribució de la mida numèrica de partícules (PNSD) en superestacions urbanes, i la PNC en superestacions rurals i punts crítics de contaminació, com ara zones de trànsit, ports, aeroports i zones industrials, entre d’altres (EU, 2024). En aquest context, la present tesi doctoral investiga concentracions, mida de partícules i fonts de UFP en entorns associats al transport, mitjançant una revisió de la literatura sobre PNC-PNSD, així com a través d'estudis experimentals realitzats en un aeroport, un port, una zona de trànsit rodat i de fons urbà (UB) a Barcelona (NE Espanya), i al metro de València (E Espanya). La revisió va tenir com a objectiu avaluar els instruments emprats, analitzar els resultats i identificar les llacunes de coneixement sobre PNC-PNSD en els entorns de transport. Es van destacar àrees poc estudiades que requereixen una investigació més profunda i es va aportar informació clau per a les campanyes. Els resultats van identificar el trànsit rodat com el principal contribuent a la PNC a les zones urbanes, amb els modes de transport afectats per la proximitat al trànsit i les condicions meteorològiques. També es va fer èmfasi en la necessitat d'harmonitzar els protocols de mesura a causa de les variacions significatives en els mètodes emprats, particularment en els límits inferiors (més fins) de detecció de la mida de les partícules. Els estudis experimentals van revelar una variabilitat considerable en la PNC i la PNSD, impulsada per les diferències en les fonts d'emissió i les condicions específiques de cada lloc. L'aeroport va registrar la PNC més alta, dominada per l'activitat dels avions, especialment el rodatge i el enlairament, mentre que el metro va presentar la més baixa. Les partícules del mode de nucleació (<25 nm) van ser especialment elevades a l'aeroport i al lloc de trànsit, indicant influència d’emissions i formació secundària. En contrast, el port va mostrar un mode de Aitken (25-100 nm) dominant, associat a les emissions dels vaixells. Les tendències diürnes van reflectir l'activitat de fonts locals, amb pics distintius observats en funció de les operacions de transport, excepte al metro, on la PNC es va mantenir relativament estable. La PNSD va ser unimodal per sota de 20 nm a l'aeroport i el trànsit, unimodal entre 20-30 nm al port, i més plana al metro, cosa que suggereix una absència de fonts locals significatives d'UFP. És destacable que no es va observar un segon mode (40-90 nm), comunament associat a emissions primàries de vehicles dièsel, al lloc de trànsit rodat, indicant possible disminució de partícules dièsel grans deguda a la implementació de les normatives EURO 5/6 i la Zona de Baixes Emissions (ZBE) de Barcelona. Els anàlisis de la contribució de fonts van confirmar que les activitats dels avions i dels vaixells van ser els principals contribuïdors d'UFP a l'aeroport i al port, respectivament, mentre que la caracterització química va revelar traçadors específics com l'alumini (aeroport), el crom i el bari (trànsit), el vanadi i el níquel (port), i el coure (metro), entre d'altres.

(Español) Las partículas ultrafinas (UFP), definidas como partículas en suspensión con un diámetro aerodinámico < 100 nm, destacan por su capacidad de penetrar profundamente en el sistema respiratorio y alcanzar directamente el cerebro a través del bulbo olfativo, lo que implica un alto potencial de efectos adversos para la salud. En respuesta a la creciente evidencia científica sobre los riesgos para la salud asociados a las UFP, la Organización Mundial de la Salud (OMS) ha publicado directrices que enfatizan la necesidad de incorporar la concentración numérica de partículas (PNC) en los sistemas actuales de monitoreo del aire (OMS, 2021). En consonancia con estas recomendaciones, la nueva Directiva de Calidad del Aire de la Unión Europea (AQD; 2024/2881/EC) requiere la obligatoriedad de monitorear tanto la PNC como la distribución del tamaño numérico de partículas (PNSD) en superestaciones urbanas, y la PNC en superestaciones rurales y puntos críticos de contaminación, tales como zonas de tráfico, puertos, aeropuertos y áreas industriales, entre otros (EU, 2024). En este contexto, la presente tesis doctoral investiga las concentraciones y características de tamaño (y algunas químicas) y contribución de fuentes a las UFP en entornos de transporte, mediante revisión de la literatura existente sobre PNC-PNSD, así como a través de estudios experimentales realizados en un aeropuerto, un puerto, una zona de tráfico rodado y de fondo urbano (UB) en Barcelona (NE España), y en el metro de Valencia (E España). La revisión tuvo como objetivo evaluar instrumentos empleados, analizar resultados e identificar lagunas de conocimiento sobre PNC-PNSD en entornos de transporte. Destacó áreas poco estudiadas que requieren mayor investigación y proporcionó información clave para las campañas de campo. Los resultados identificaron al tráfico rodado como el principal contribuyente a la PNC en zonas urbanas, con modos de transporte afectados por la proximidad al tráfico y las condiciones meteorológicas. También se enfatizó la necesidad de armonizar los protocolos de medición debido a variaciones significativas en los métodos empleados, particularmente en los límites inferiores (más finos) de detección del tamaño de las partículas. Los estudios experimentales revelaron una variabilidad considerable en la PNC y la PNSD, impulsada por las diferencias en las fuentes de emisión y las condiciones de cada sitio. El aeropuerto registró la PNC más alta, dominada por la actividad de los aviones, especialmente el rodaje y el despegue, mientras que el metro presentó la más baja. Las partículas de la moda nucleación (<25 nm) fueron especialmente elevadas en el aeropuerto y en el sitio de tráfico, indicando la influencia de emisiones primarias y la formación secundaria a partir de precursores gaseosos. En contraste, el puerto mostró una moda de Aitken (25-100 nm) dominante, asociada a las emisiones de los barcos. Las tendencias diurnas reflejaron la actividad de fuentes locales, con picos según las operaciones de transporte, excepto en el metro, donde la PNC se mantuvo estable. La PNSD fue unimodal por debajo de 20 nm en el aeropuerto y el tráfico, unimodal entre 20-30 nm en el puerto, y más plana en el metro, lo que sugiere ausencia de fuentes locales significativas de UFP. Es destacable que no se observó una segunda moda (40-90 nm), comúnmente asociada a emisiones primarias de vehículos diésel, en el sitio de tráfico rodado, lo que sugiere una disminución de partículas diésel grandes por la implementación de las normativas EURO 5 y 6/V y VI y la Zona de Bajas Emisiones (ZBE) de Barcelona. Los análisis de la contribución de fuentes confirmaron que las actividades de aviones y barcos fueron las principales fuentes de UFP en el aeropuerto y puerto, respectivamente, mientras que la caracterización química reveló trazadores específicos como aluminio (aeropuerto), cromo y bario (tráfico), vanadio y níquel (puerto), y cobre (metro), entre otros.