Evaluación de las capacidades de eliminación de materia particulada de árbol hojas

Resumen

Para eluir la materia particulada (PM) retenida en la superficie de las hojas después de PM eluyó por los métodos convencionales de limpieza (lavado sólo con agua o el lavado con agua y cepillo de limpieza) se aplicó el método de limpieza ultrasónico. La metodología puede ayudar a mejorar la precisión de la estimación para PM capacidad de retención de hojas.

Resumen

Basado en los métodos de limpieza convencionales (agua de limpieza (WC) + cepillo de limpieza (AC)), este estudio evalúa la influencia de limpieza ultrasónica (UC) que recoge diferentes tamaño particulado (PM) retenido en la superficie de las hojas. Nos caracteriza la eficiencia de retención de hojas para diferentes tamaño PM, que ayudarán a evaluar las capacidades de los árboles urbanos para quitar PM de aire ambiente cuantitativamente.

Teniendo tres especies de árboles de hoja ancha (Ginkgo biloba, Sophora japonica y Salix babylonica) y dos especies del árbol del needleleaf (Pinus tabuliformis y Sabina chinensis) como los objetos de investigación, fueron las muestras de hojas recogidas 4 días (período de retención corto de PM) y 14 días (período largo de retención de PM) después de las últimas lluvias. PM retenida en la superficie de las hojas se recolectó por medio de WC, AC y UC en secuencia. Luego, se calculó la eficiencia de retención de hojas (_hojadeAE) a tres tipos de la PM tamaño diversos, incluyendo PM fácilmente extraíble (ERP), difícil de quitar PM (DRP) y PM totalmente extraíble (TRP). Sólo alrededor de 23% - 45% del total PM retenido en las hojas podría limpiar y recogido por el WC. Cuando las hojas se hayan limpiado a través de WC + BC, la subestimación de la capacidad de retención de PM de diversa especie del árbol estaba en la gama de 29% - 46% para varios tamaños casi de h. PM todos retenidos en las hojas podría ser quitado si la UC se complementó al WC + AC.

En conclusión, si la UC se complementó después de los métodos de limpieza convencionales, más tarde las hojas podría eluida y recogida. El procedimiento desarrollado en este estudio puede utilizarse para evaluar las capacidades de eliminación de PM de diversa especie del árbol.

Introducción

Las capacidades de diversa especie del árbol para quitar PM del aire ambiente pueden ser evaluadas a través de la cuantificación de la masa de PM retenido en la superficie de las hojas. Para lograr este objetivo, el método de sustracción^1,2, la membrana filtro método^3,4,5y el método de elución de peso juntada con el análisis de tamaño de partícula⁶ han sido aplicados para estimar cuantitativamente la masa de PM_2.5 (diámetro ≤ 2.5 μm), PM₁₀ (diámetro ≤ 10 μm) o partículas suspendidas totales (TSP) retenido en las hojas. Sin embargo, la exactitud de estos métodos depende básicamente de su desempeño en la recolección de PM retenida en la superficie de las hojas. En la actualidad, la hoja convencional utilizado en estudios relacionados con método de limpieza incluye uno o dos pasos, es decir sólo agua lavado (remojo y enjuague las hojas con agua desionizada)^3,7 o más cepillado^{5, 8 , 9}. sin embargo, algunos estudios^10,11 han demostrado que PM en superficies de la hoja no podría ser eluido totalmente por el método de limpieza convencional. Limpieza por ultrasonidos tiene las ventajas de alta velocidad, alta calidad y poco daño a la superficie del objeto, tiene gran potencial para ser utilizado para recoger la PM retenido en la superficie de las hojas con microestructuras complejas. En la actualidad, limpieza por ultrasonidos se ha aplicado en algunos estudios para recoger PM retenido en la superficie de las hojas (es decir, poner las hojas en agua desionizada y uso el limpiador ultrasónico a fin de eluir PM)^12,13. Sin embargo, este método sólo se utiliza como complemento de una hoja de limpieza método, aunque no se conoce si la limpieza por ultrasonidos tiene un efecto positivo en la recogida de PM de las hojas y sus parámetros de funcionamiento óptimo no son también claras. Nuestra investigación anterior ha demostrado que la PM retenido en la superficie de la hoja de Ginkgo biloba podría ser Eluya completamente sin destruir la superficie de las hojas, si un procedimiento adecuado de limpieza ultrasónico fue suplido al método convencional de limpieza¹¹ . Sin embargo, la estabilidad y la aplicabilidad general de la limpieza por ultrasonidos parámetros (energía ultrasónica, tiempo y otra información) para diferentes especies de plantas experimentan períodos de retención de polvo diferentes son todavía no claros.

En la actualidad, la masa de PM_2.5y PM₁₀TSP en unidad de área de hoja a menudo se ha utilizado para evaluar las habilidades de diversa especie del árbol para quitar PM de aire ambiente^14,15. Bajo las condiciones naturales, el PM retenido en la superficie de las hojas se puede clasificar en dos partes: la primera parte es de la PM que puede caer hojas debido a los efectos de viento y lluvia, mientras que la otra parte es de la PM que se adhiere firmemente a la hoja de las superficies ya no ea sily lavada por la lluvia. Sin embargo, pocos estudios se han centrado en la masa de ambos tipos de PM en las hojas. Además, los períodos de retención de PM de hojas en diferentes estudios difieren enormemente. Así, la comparabilidad de los resultados de estos estudios será pobre, si se adopta la masa de PM retenido en la unidad de área de hoja para evaluar las capacidades de eliminación de PM de árboles¹⁶. En consecuencia, la eficiencia de retención de PM (la masa de PM retenido en la unidad de superficie foliar por unidad de tiempo), como alternativa, se propuso evaluar los efectos de la purificación de PM de árboles urbanos^5,17. En general, todavía hay una falta de investigación en este aspecto. Es extremadamente necesario para llevar a cabo los estudios pertinentes por diversas especies del árbol prestar apoyan metodológico basic y datos para evaluar con precisión las capacidades de eliminación de PM de diversa especie del árbol.

Aquí, tres especies de árboles de hoja ancha (g. biloba, Sophora japonicay Salix babylonica) y dos especies de árbol de needleleaf (Pinus tabuliformis y Sabina chinensis) fueron seleccionadas para evaluar su retiro de PM habilidades en dos períodos de retención de PM. El sitio de muestreo de hojas fue en Parque Xitucheng (39,97 ° N, 116,36 ° E), situado en una zona con fuerte contaminación en Beijing. Los tres objetivos específicos de este estudio fueron: (1) para evaluar la eficacia de la hoja de diferentes métodos (limpieza del agua (WC), limpieza con cepillo (A.C.) y limpieza ultrasónica (UC)) en liberador de la PM en las hojas, (2) para verificar el efecto de limpieza por ultrasonidos en de limpieza liberador de PM y (3) para evaluar la eficiencia de retención de diversa especie del árbol PM₁, PM_2.5, PM₅, PM₁₀, y TSP.

Protocolo

1. hoja de recogida, elución y medición de la masa de PM

1. Seleccione cinco árboles individuales saludables (es decir, cinco repeticiones) de cada especie de árbol con diámetro similar a la altura del pecho. Recoger cuatro ramas más grandes al azar de cuatro direcciones de la cubierta exterior de la capa de dosel medio y corte todas las hojas intactas.
   Nota: Todas las plantas para el muestreo foliar deben estar ubicadas cerca en una franja verde con longitud y anchura de unos 250 y 60 m, respectivamente, para asegurar que las condiciones ambientales (viento, luz y lluvia) de estos árboles son similares. Se recolectaron las hojas utilizadas en el protocolo el 15 de octubre (período de retención (SDR) polvo corto) y 25 de octubre (largo período de retención (LDR) de polvo) en 2014, que eran 4 y 14 días después de las últimas lluvias (> 15 mm), respectivamente. Los niveles promedio de PM en el corto y largo polvo período de retención (es decir, la duración entre la última lluvia y el tiempo de muestreo de hojas) en nuestro experimento fueron 26 (PM_2.5), 57 (PM₁₀) y 111 (PM_2.5), 160 μg/m³ (PM₁₀), respectivamente.
   1. Colocar las hojas muestreadas en sacos de válvula etiquetado y transporte de las bolsas al laboratorio inmediatamente. Almacenar las muestras de hojas en la nevera.
2. Lave y seque los vasos en el horno de 80 ° C. Equilibrar los vasos a temperatura ambiente y humedad y pese los vasos vacíos (W₁).
3. Al azar Seleccione una cierta cantidad de hojas de las muestras de hojas y poner las hojas en un vaso de precipitados de 1000 mL (vaso A).
   Nota: El área foliar es sobre 2000 cm², que puede garantizar todas las hojas pueden ser sumergidas en el agua completamente y el polvo eluído tiene suficiente peso para pesar con precisión.
4. Añadir a 270 mL de agua desionizada en el vaso A y sumerja las hojas en agua totalmente.
   1. Revuelva el agua para 60 s con una varilla de vidrio en una sola dirección (frecuencia: 2 segundos para una rotación). Luego, vierta tres vasos pequeños de 100 mL del eluyente (vaso a) uniformemente.
   2. Lavar las hojas con una botella del apretón con punta fina de 30 mL de agua desionizada y transferir las hojas lavadas a un vaso de precipitados de 1000 mL (vaso B). Vierta tres vaso de precipitados pequeño de 100 mL de eluyente (vaso a) uniformemente.
5. Añadir 270 mL de agua desionizada a B vaso y sumerja las hojas en agua otra vez. Utilizar un cepillo de nylon para limpiar la superficie de la hoja (colocación de la placa plana fina de plástico) con agua desionizada y evitar destruir la microestructura de la superficie de la hoja. Vierta el eluyente en tres vasos pequeños de 100 mL (vaso b).
   1. Lavar las hojas con la botella exprimible de punta fina con 30 mL de agua desionizada y transferir las hojas en un vaso de precipitados de 1000 mL (vaso C). Vierta el eluyente en tres 100 mL pequeño vaso de precipitados (vaso b).
6. Añadir a 270 mL de agua desionizada a vaso C y sumerja las hojas en agua otra vez.
   1. Poner el envase de cristal en la máquina de limpieza ultrasónica. Con una energía ultrasónica de 500 W, limpieza por 3 min y 10 min de las hojas de las especies arbóreas de hoja anchas y needleleaf, respectivamente. Mezclar las hojas con una varilla de vidrio en una sola dirección (frecuencia: 2 segundos uno del círculo) simultáneamente.
   2. Lavar las hojas con la botella exprimible de punta fina con 30 mL de agua desionizada y vierta el eluyente en tres vasos pequeños de 100 mL (vaso c).
7. Cubrir un pedazo limpio de papel de filtro (diámetro = 11 cm, área = 94,99 cm²) en cada vaso (a, b, c) y seco los vasos en el horno de 80 ° C por aproximadamente 5 días hasta que la masa de los vasos se vuelve constante.
   1. Ponga los vasos en una cámara de equilibrio para equilibrar la temperatura y humedad durante 30 minutos y pesar la masa de cada vasos de precipitado de 100 mL (W₂). Calcular la masa de PM eluida por cada paso de limpieza por W₂-W₁.

2. medición de área foliar y distribución de tamaño de PM

1. Añadir 50 mL de agua desionizada a cada vaso de precipitados tarado (a, b, c) mencionada anteriormente y colocar estos vasos en una máquina de limpieza ultrasónica durante 30 minutos hasta que el PM se dispersa en agua desionizada.
2. Añadir el sobrenadante en vaso (a, b, c) el instrumento de la granularidad de láser y medir la distribución de tamaño de PM eluida por diferentes pasos de limpieza.
   1. Asumir que los porcentajes de volumen medido a porcentajes masa (Q) de partículas de diferente tamaño. Calcular la proporción de partículas de diferentes tamaño eluida por cada paso de limpieza en la ecuación (1):
      (1)
      donde P_{i, j} representa la proporción de masa (%) de las partículas dentro de la clase de diámetro j eluida de la superficie de las hojas por el paso de limpieza ; W representa la masa total (g) de todas las partículas de tamaño eluida por el paso de limpieza ; Q_{i, j} representa el porcentaje de masa (%) de las partículas dentro de la clase de diámetro de j en la masa total de PM eluida por el paso de limpieza ; es el paso de limpieza (es decir, WC, AC y UC); y j es la clase de diámetro, que se estableció en ≤ d 1 μm (PM₁), 1 < d ≤ 2,5 μm (PM_{2,5 1}), 2.5 < d ≤ 5 μm (PM_2.5-5), 5 < d ≤ 10 μm (PM_5-10), d > 10 μm (PM_{> 10}) en el presente estudio.
3. Hojas de propagación en el plástico del tablero y escanear las hojas con un escáner de alta calidad. Utilizar software de análisis de imagen automático para estimar la superficie y el área proyectada de las hojas.
   Nota: El protocolo se puede detener aquí.

3. Análisis y presentación de los datos

1. Calcular las partículas extraíble total (PRT) como la suma de la ERP y los PRM que puede ser eluido por WC + BC + UC.
2. En períodos de retención de polvo diferentes, calcular la masa total de la PM dentro de una clase de specificdiameter retenida en las hojas como la suma de la masa de PM dentro de clase diámetro correspondiente eluida por los diferentes pasos de limpieza (es decir, WC, AC y UC).
   1. Con estos datos y los datos de área de hoja, calcular la eficiencia de retención (_hojadeAE) de las partículas de tamaño diferentes en unidad hoja superficie usando la ecuación (2):
      (2)
      donde LZ_j y _j de la SZ son la masa (g) de las partículas dentro de la clase de diámetro j retenidos en la unidad de área foliar en los períodos de LDR y SDR, respectivamente; LT y ST son los números de días en los periodos de LDR y DEG, respectivamente.
3. Llevar a cabo todos los análisis estadísticos con el software SPSS.
   1. Utilice la prueba de Kolmogorov-Smirnov y la prueba de Levene para comprobar los supuestos de ANOVA de la normalidad y la homogeneidad de varianzas, respectivamente, para los porcentajes de elución de las partículas de diferentes tamaños y los datos de capacidad de retención de PM.
   2. Aplicar el ANOVA unidireccional para investigar los efectos de los diferentes pasos de la limpieza en los porcentajes de elución de las partículas de diferente tamaño en diferentes períodos de retención de polvo. Utilice la prueba de Duncan (P = 0.05) para detectar las diferencias significativas entre los diferentes pasos de limpieza.

Resultados

Las retenidas en la superficie de las hojas de la tarde tenía dos tipos bajo condiciones naturales. El PM se cae fácilmente por las lluvias y viento en condiciones naturales se define como la materia de partículas fácilmente extraíble (ERP). Este tipo de PM estuvo representado por el PM eluida por WC en este estudio. La PM que se adhiere firmemente a la hoja de las superficies y no puede ser fácilmente lavada por BC y UC se define como la materia de partículas difíciles de elimina...

Discusión

Precisa y adecuada la PM retenido en la superficie de las hojas es la base para la evaluación de las capacidades de eliminación de PM de diversa especie del árbol. Sin embargo, el método convencional de limpieza (WC o más BC) no se puede quitar completamente el polvo de las hojas, que ha sido confirmado por análisis de microscopía electrónica¹⁰. Esto fue demostrado más claramente por el presente estudio (figura 1, figura 2,

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
MSA2258-1CE-DU ten-thousandth scale	Sartorius Scientific Instruments (Beijing) Co., Ltd.	MSA2258-1CE-DU	precision: 0.01 mg
The IS13320 laser granularity instrument	Beckman Coulter, Brea, USA	IS13320	working conditions: liquid/power samples; particle size range of measurement: 0.017-2000 μm
Epson Twain Pro high-quality scanner	Seiko Epson, Nagano, Japan	expression1680
Automatic image analysis software WinRHIZO	Regent Instruments Inc., Quebec, Canada	WinRHIZO Pro 2013a