Grupa naukowców z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej, Akademii Górniczo-Hutniczej: dr hab. inż. Lucyna Samek profesor AGH, dr inż. Paweł Wróbel, i studenci inż. Patryk Grzywa i inż. Filip Baran oraz doktorantka Szkoły Doktorskiej AGH mgr Romisaa Gamal Mahmoud Abdelrman przeprowadziła ciekawe eksperymenty z wykorzystaniem linii badawczej ASTRA. Celem badań było zidentyfikowanie związków chemicznych obecnych w zanieczyszczeniach pyłowych powietrza PM_2.5. Próbki do badań pobrane zostały na stacji AGH w Krakowie latem i zimą w latach 2018/2019 i 2020/2021, aby wykryć zmienność sezonową oraz porównać czy zakaz spalania węgla i drewna do celów grzewczych wprowadzony w Krakowie we wrześniu 2019 przyczynił się do zmiany charakteru zanieczyszczeń pyłowych powietrza.

Średnioroczne stężenie PM_2.5 w Krakowie spadło o 25% w roku 2020/2021 w porównaniu do roku 2018/2019. Określone zostały stężenia pierwiastków, jonów, black carbon, a następnie za pomocą modelowania dodatniej faktoryzacji macierzy (Positive Matrix Factorization) zidentyfikowane zostały źródła emisji PM_2.5. Dwa główne czynniki miały wpływ na charakterystykę zanieczyszczeń pyłowych powietrza w obu okresach. Były to wprowadzenie zakazu spalania paliw stałych w Krakowie we wrześniu 2019 oraz ograniczenia związane z pandemią COVID-19 w marcu 2020. Został określony udział źródeł emisji w masie PM_2.5. Ponadto zidentyfikowane zostały następujące źródła emisji: pył uliczny/prace budowlane/przemysł/gleba, nieorganiczne aerozole wtórne, emisja komunikacyjna i spalanie paliw stałych. Nie było natomiast możliwości określenia stopnia utlenienia badanych pierwiastków w PM_2.5. 

Podczas dedykowanego czasu pomiarowego wykorzystując XANES chcieliśmy zbadać stopnie utlenienia pierwiastków takich jak: siarka, chlor, cynk, żelazo oraz związki chemiczne z wyżej wymienionymi pierwiastkami obecne w pyłach. Takie badania pozwolą na zaobserwowanie zmian w charakterystyce (stopni utlenienia pierwiastków oraz ich związków chemicznych) w zależności od pory roku (sezon letni i zimowy) oraz zmian w zależności od roku pobierania próbek PM_2.5 na stacji AGH (lata 2018/2019 i 2020/2021). Pozwoli to podążać za dynamiką zmian zanieczyszczeń i czynnikami w obszarze miasta Krakowa oraz określić źródła emisji zanieczyszczeń pyłowych powietrza. Pomiary XANES umożliwiły szerszy i głębszy wgląd w próbki, co umożliwiło rozpoznanie związków chemicznych obecnych w pyłach powietrza i zbadanie profili źródeł zanieczyszczeń. Stosując dotychczasową metodykę badawczą i pomiary naukowcy nie byli w stanie uzyskać dokładnych informacji o źródłach zanieczyszczeń powietrza. 
Pomiary wykonane przy wykorzystaniu linii badawczej ASTRA, pozwoliły na zarejestrowanie widm XANES siarki, chloru, potasu, żelaza oraz cynku zmierzonych na krawędzi absorpcji K. Widma XANES dostarczyły informacji o stanie chemicznym i związkach chemicznych charakterystycznych dla okresu letniego i zimowego w PM_2.5. Wstępna analiza widm pokazała, że zimą w pyłach obecne są wodorosiarczany a latem siarczany. Dalsza analiza widm pozwoli określić źródła zanieczyszczeń. Ponadto uzyskany wynik pokazał zmienność charakterystyki pyłów w zależności od roku pobierania próbek. Dodatkowo ważnym aspektem przeprowadzonych pomiarów jest fakt, że dotychczas brak jest dostępnych danych XANES dla potasu, cynku oraz są ograniczone dane XANES dla chloru. Według naszej wiedzy badania grupy naukowców z Akademii Górniczo-Hutniczej są pierwszym tego typu zastosowaniem XANES do analizy PM_2.5 w Polsce.

Użytkownicy szczególne podziękowania kierują do dr Alexeya Maximenko (opiekuna linii badawczej ASTRA) przy wsparciu, którego pomiary mogły zostać przeprowadzone.

Autor: dr hab. inż. Lucyna Samek profesor AGH

Autor zdjęć: Joanna Kowalik, Lucyna Samek