Published December 8, 2021 | Version v1
Publication Open

Compositional data analysis (CoDA) as a tool to evaluate a new low-cost settling-based PM<sub>10</sub> sampling head in a desert dust source region

Creators

  • 1. Institut de physique du globe de Paris
  • 2. French National Centre for Scientific Research
  • 3. Sorbonne Université
  • 4. Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques
  • 5. Laboratoire Techniques, Territoires et Sociétés
  • 6. Université Paris-Est Créteil
  • 7. Institut d'écologie et des sciences de l'environnement de Paris
  • 8. Institut de Recherche pour le Développement
  • 9. Institut des Régions Arides

Description

Abstract. This paper presents a new sampling head design and the method used to evaluate it. The elemental composition of aerosols collected by two different sampling devices in a semi-arid region of Tunisia is compared by means of compositional perturbation vectors and biplots. This set of underused mathematical tools belongs to a family of statistics created specifically to deal with compositional data. The two sampling devices operate at a flow rate in the range of 1 m3 h−1, with a cut-off diameter of 10 µm. The first device is a low-cost laboratory-made system, where the largest particles are removed by gravitational settling in a vertical tube. This new system will be compared to the second device, a brand-new standard commercial PM10 sampling head, where size segregation is achieved by particle impaction on a metal surface. A total of 44 elements (including rare earth elements, REEs, together with Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Rb, S, Sc, Se, Sr, Ti, Tl, U, V, Zn, and Zr) were analysed in 16 paired samples, collected during a 2-week field campaign in Tunisian dry lands, close to source areas, with high levels of large particles. The contrasting meteorological conditions encountered during the field campaign allowed a broad range of aerosol compositions to be collected, with very different aerosol mass concentrations. The compositional data analysis (CoDA) tools show that no compositional differences were observed between samples collected simultaneously by the two devices. The mass concentration of the particles collected was estimated through chemical analysis. Results for the two sampling devices were very similar to those obtained from an online aerosol weighing system, TEOM (tapered element oscillating microbalance), installed next to them. These results suggest that the commercial PM10 impactor head can therefore be replaced by the decanter, without any measurable bias, for the determination of chemical composition and for further assessment of PM10 concentrations in source regions.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص. تقدم هذه الورقة تصميمًا جديدًا لرأس أخذ العينات والطريقة المستخدمة لتقييمه. تتم مقارنة التركيب العنصري للهباء الجوي الذي تم جمعه بواسطة جهازي أخذ عينات مختلفين في منطقة شبه قاحلة في تونس عن طريق ناقلات الاضطراب التركيبية و biplots. تنتمي هذه المجموعة من الأدوات الرياضية غير المستخدمة إلى عائلة من الإحصاءات التي تم إنشاؤها خصيصًا للتعامل مع البيانات التركيبية. يعمل جهازا أخذ العينات بمعدل تدفق في نطاق 1 م 3 ساعة-1، بقطر قطع قدره 10 ميكرومتر. الجهاز الأول هو نظام منخفض التكلفة مصنوع في المختبر، حيث تتم إزالة أكبر الجسيمات عن طريق ترسيب الجاذبية في أنبوب عمودي. سيتم مقارنة هذا النظام الجديد بالجهاز الثاني، وهو رأس أخذ عينات PM10 تجاري قياسي جديد تمامًا، حيث يتم فصل الحجم عن طريق تأثير الجسيمات على سطح معدني. تم تحليل ما مجموعه 44 عنصرًا (بما في ذلك العناصر الأرضية النادرة، و REEs، جنبًا إلى جنب مع Al، و As، و Ba، و Be، و Ca، و Cd، و Co، و Cr، و Cu، و Fe، و K، و Li، و Mg، و Mn، و Mo، و Na، و Ni، و P، و Pb، و Rb، و S، و Sc، و Se، و Sr، و Ti، و Tl، و U، و V، و Zn، و Zr) في 16 عينة مزدوجة، تم جمعها خلال حملة ميدانية لمدة أسبوعين في الأراضي الجافة التونسية، بالقرب من مناطق المصدر، مع مستويات عالية من الجسيمات الكبيرة. سمحت الظروف الجوية المتناقضة التي تمت مواجهتها خلال الحملة الميدانية بجمع مجموعة واسعة من تركيبات الهباء الجوي، مع تركيزات كتلة الهباء الجوي المختلفة للغاية. تُظهر أدوات تحليل البيانات التركيبية (CoDA) أنه لم تتم ملاحظة أي اختلافات تركيبية بين العينات التي تم جمعها في وقت واحد بواسطة الجهازين. تم تقدير تركيز كتلة الجسيمات التي تم جمعها من خلال التحليل الكيميائي. كانت نتائج جهازي أخذ العينات مشابهة جدًا لتلك التي تم الحصول عليها من نظام وزن الهباء الجوي عبر الإنترنت، TEOM (توازن دقيق لعنصر مستدق يتأرجح)، مثبت بجوارهما. تشير هذه النتائج إلى أنه يمكن استبدال رأس مصادم PM10 التجاري بالدورق، دون أي تحيز قابل للقياس، لتحديد التركيب الكيميائي وللمزيد من التقييم لتركيزات PM10 في مناطق المصدر.

Translated Description (French)

Résumé. Cet article présente une nouvelle conception de tête d'échantillonnage et la méthode utilisée pour l'évaluer. La composition élémentaire des aérosols collectés par deux dispositifs d'échantillonnage différents dans une région semi-aride de Tunisie est comparée au moyen de vecteurs de perturbation compositionnelle et de biplots. Cet ensemble d'outils mathématiques sous-utilisés appartient à une famille de statistiques créées spécifiquement pour traiter les données de composition. Les deux dispositifs d'échantillonnage fonctionnent à un débit de l'ordre de 1 m3 h−1, avec un diamètre de coupure de 10 µm. Le premier dispositif est un système de laboratoire à faible coût, où les plus grosses particules sont éliminées par sédimentation gravitationnelle dans un tube vertical. Ce nouveau système sera comparé au deuxième dispositif, une toute nouvelle tête d'échantillonnage PM10 commerciale standard, où la ségrégation par taille est obtenue par impaction de particules sur une surface métallique. Un total de 44 éléments (y compris les éléments des terres rares, les ETR, ainsi que Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Rb, S, Sc, Se, Sr, Ti, Tl, U, V, Zn et Zr) ont été analysés dans 16 échantillons appariés, collectés au cours d'une campagne de terrain de 2 semaines dans les terres sèches tunisiennes, à proximité des zones sources, avec des niveaux élevés de grosses particules. Les conditions météorologiques contrastées rencontrées au cours de la campagne sur le terrain ont permis de collecter un large éventail de compositions d'aérosols, avec des concentrations massiques d'aérosols très différentes. Les outils d'analyse des données de composition (CoDA) montrent qu'aucune différence de composition n'a été observée entre les échantillons prélevés simultanément par les deux dispositifs. La concentration massique des particules collectées a été estimée par analyse chimique. Les résultats pour les deux dispositifs d'échantillonnage étaient très similaires à ceux obtenus à partir d'un système de pesage d'aérosol en ligne, TEOM (élément conique oscillant microbalance), installé à côté d'eux. Ces résultats suggèrent que la tête d'impact PM10 commerciale peut donc être remplacée par le décanteur, sans aucun biais mesurable, pour la détermination de la composition chimique et pour une évaluation plus approfondie des concentrations de PM10 dans les régions sources.

Translated Description (Spanish)

Resumen. Este artículo presenta un nuevo diseño de cabezal de muestreo y el método utilizado para evaluarlo. La composición elemental de los aerosoles recogidos por dos dispositivos de muestreo diferentes en una región semiárida de Túnez se compara mediante vectores de perturbación composicional y biplots. Este conjunto de herramientas matemáticas infrautilizadas pertenece a una familia de estadísticas creadas específicamente para tratar datos de composición. Los dos dispositivos de muestreo funcionan a un caudal en el rango de 1 m3 h−1, con un diámetro de corte de 10 µm. El primer dispositivo es un sistema de laboratorio de bajo coste, donde las partículas más grandes se eliminan por sedimentación gravitacional en un tubo vertical. Este nuevo sistema se comparará con el segundo dispositivo, un nuevo cabezal de muestreo comercial PM10 estándar, donde la segregación de tamaño se logra mediante el impacto de partículas sobre una superficie metálica. Se analizaron un total de 44 elementos (incluidos elementos de tierras raras, Ree, junto con Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Rb, S, Sc, Se, Sr, Ti, Tl, U, V, Zn y Zr) en 16 muestras emparejadas, recolectadas durante una campaña de campo de 2 semanas en tierras secas de Túnez, cerca de las áreas de origen, con altos niveles de partículas grandes. Las condiciones meteorológicas contrastantes encontradas durante la campaña de campo permitieron recolectar una amplia gama de composiciones de aerosol, con concentraciones de masa de aerosol muy diferentes. Las herramientas de análisis de datos de composición (CoDA) muestran que no se observaron diferencias de composición entre las muestras recogidas simultáneamente por los dos dispositivos. La concentración de masa de las partículas recogidas se estimó mediante análisis químico. Los resultados para los dos dispositivos de muestreo fueron muy similares a los obtenidos de un sistema de pesaje de aerosoles en línea, TEOM (microbalanza oscilante de elemento cónico), instalado junto a ellos. Estos resultados sugieren que, por lo tanto, el cabezal impactador de PM10 comercial puede reemplazarse por el decantador, sin ningún sesgo medible, para la determinación de la composición química y para una evaluación adicional de las concentraciones de PM10 en las regiones de origen.

Files

amt-14-7657-2021.pdf.pdf

Files (3.0 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:e64127e65310c1c3e49e9eadd80c757b
3.0 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحليل البيانات التركيبية (CoDA) كأداة لتقييم PM&lt ؛ sub&gt ؛ 10 </sub&gt ؛ رأس أخذ العينات في منطقة مصدر غبار الصحراء
Translated title (French)
Analyse des données de composition (CoDA) en tant qu'outil pour évaluer une nouvelle tête d'échantillonnage PM&lt ; sub&gt ; 10 </sub&gt ; basée sur la sédimentation à faible coût dans une région de source de poussière du désert
Translated title (Spanish)
Análisis de datos composicionales (CoDA) como herramienta para evaluar un nuevo cabezal de muestreo de PM basado en sedimentación de bajo coste en una región de origen de polvo desértico

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4200588329
DOI
10.5194/amt-14-7657-2021

Is supplement to
https://openalex.org/W2047487744 (Other)
https://openalex.org/W2101702422 (Other)
https://openalex.org/W2130115884 (Other)
https://openalex.org/W306191460 (Other)
https://openalex.org/W159997555 (Other)
https://openalex.org/W2389879838 (Other)
https://openalex.org/W270592066 (Other)
https://openalex.org/W2289604260 (Other)
https://openalex.org/W2095055632 (Other)
https://openalex.org/W3006414546 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Tunisia

References

  • https://openalex.org/W1174483205
  • https://openalex.org/W1485504984
  • https://openalex.org/W1856466342
  • https://openalex.org/W1971544649
  • https://openalex.org/W2012966534
  • https://openalex.org/W2013624176
  • https://openalex.org/W2032023324
  • https://openalex.org/W2034769154
  • https://openalex.org/W2034931535
  • https://openalex.org/W2043630037
  • https://openalex.org/W2047020168
  • https://openalex.org/W2049979432
  • https://openalex.org/W2069446202
  • https://openalex.org/W2074516465
  • https://openalex.org/W2074766217
  • https://openalex.org/W2075051844
  • https://openalex.org/W2077291060
  • https://openalex.org/W2078112764
  • https://openalex.org/W2086764528
  • https://openalex.org/W2093767481
  • https://openalex.org/W2094408786
  • https://openalex.org/W2104146802
  • https://openalex.org/W2112073377
  • https://openalex.org/W2118690220
  • https://openalex.org/W2118912812
  • https://openalex.org/W2131944762
  • https://openalex.org/W2148750762
  • https://openalex.org/W2150952311
  • https://openalex.org/W2153438006
  • https://openalex.org/W2156465082
  • https://openalex.org/W2179875639
  • https://openalex.org/W2332411772
  • https://openalex.org/W2338736078
  • https://openalex.org/W2517772187
  • https://openalex.org/W2547676565
  • https://openalex.org/W2611293014
  • https://openalex.org/W2674884973
  • https://openalex.org/W2793377435
  • https://openalex.org/W2904384012
  • https://openalex.org/W3192880971
  • https://openalex.org/W4299542564
  • https://openalex.org/W4300106170