İstanbul atmosferinde uçucu organik bileşik kirliliğinin kaynaklarının belirlenmesi: YTÜ Davutpaşa Kampüsü örneği
Source identification and apportionment of volatile oragnic compounds in Istanbul atmosphere: YTU Davutpasa Campus case
Yazar: SELAMİ DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ARSLAN SARAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Uçucu organik bileşikler = Volatile organic compound

Özet:
Yüksek miktarlarda yakıt tüketimi ve endüstriyel amaçlı solvent kullanımına ek olarak giderek yoğunlaşan motorlu taşıt emisyonları nedeniyle özellikle şehir atmosferinde ortam konsantrasyonları artan uçucu organik bileşikler (UOBler), bu alanda çalışan mühendisler için en önemli çalışma alanlarından biri olmuştur. UOBler, halk sağlığı ve refahı üzerinde bir dizi olumsuz etkiye sahiptir. Bunlardan en göze çarpanı şüphesiz atmosferik ortamda bir dizi fotokimyasal reaksiyonlara girerek troposferik ozon seviyelerinde artışa neden olmalarıdır. Bununla birlikte, bazı UOBlerin kanserojen ve hatta mutajen oldukları bilinmektedir.Kentsel alanlarda atmosferik UOBlerin çoğu trafik kaynaklı emisyonlar ve solventlerle fosil yakıtlarının endüstriyel kullanımlarından doğan emisyonlar gibi antropojenik kaynaklar olmaktadır. Öyle ki evlerde kullanılan solvent bazlı maddeler ve hatta evlerde yemek pişirilmesi bile bazı UOB türlerinin atmosferik konsantrasyonlarının artmasına katkı sağlayabilmektedir. Antropojenik kaynaklara ek olarak bazı UOB türleri biyojenik kaynaklardan da atmosfere atılmaktadır.Geçen yıllarda atmosferik UOBlerle ilgili çok sayıda araştırma yapılmıştır. Bazı araştırmacılar bunların kaynaklarını tespit etmeye çalışırlarken bazıları atmosferik UOB kirliliğinin seviyelerini tespit etmeye yoğunlaşmışlardır. Ayrıca bir çok araştırmacı, atmosferik UOB türlerinin toksik, kanserojen ve hatta kokulu etkilerinden ötürü halk sağlığı ve refahı üzerindeki olumsuz etkilerini incelemişlerdir. Bütün bu çalışmalara rağmen ülkemizde UOBlerle ilgili çalışmalar oldukça yeni ve malesef kısıtlıdır.UOBlerin atmosferik profillerinin karakterizasyonu ve bunların özellikle kentsel alanlarda kaynaklarının tespit edilmesi, yönetim stratejilerinin geliştirilmesi ve uygulanması açısından bu konuda çalışan araştırmacıların en önemli görevlerindendir. Bu çalışmada Yıldız Teknik Üniversitesi (YTÜ) Davutpaşa Kampüsü'nde uçucu organik bileşiklerin atmosferik konsantrasyonları ölçülmüş ve bunların kaynakları ile bu kaynakların atmosferik konsantrasyonlara katkı değerleri ve kaynak katkı değerlerinin gün içindeki değişimleri tahmin edilmeye çalışılmıştır. Kaynak ve katkı değerlerinin tahmininde Pozitif Matris Faktörizasyonu (PMF), Asal Bileşen Analizi ? Çoklu Lineer Regresyon (PCA-MLR) ve Kimyasal Kütle Dengesi (CMB) olmak üzere üç adet reseptör uyumlu model kullanılmış; ayrıca bu modellerin performansları da değerlendirilmiştir.Performans değerlendirmesi için modellerin performans kriterleri kullanılmış olup, PMF'nin en iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Elde edilen PMF sonuçlarına göre YTÜ Davutpaşa Kampüsü'nde hava kalitesini etkileyen altı temel kaynak mevcuttur: solvent kullanımı ve genel endüstriyel boya kullanımına dayalı emisyonlar, benzinli ve dizel araç emisyonları, evaporatif emisyonlar ve biyojenik emisyonlar. PMF sonuçlarına göre bu kaynaklardan ortalama bazda en etkin olanı solvent kullanımıdır. Solvent kullanımından kaynaklanan emisyonların kampüs içindeki UOB kirliliğine katkı değeri gündüz saatlerinde 21,1 µg.m-3 iken gece saatlerinde 14,4 µg.m-3'tür. Bunu takiben boya kullanımı ile ilgili emisyonların katkı değeri gece ve gündüz saatlerinde 10,4 ila 27,5 µg.m-3 arasında değişmekte; benzinli araç emisyonlarının katkı değeri gündüz saatlerinde 10,8 µg.m-3 ve gece saatlerinde 5,3 µg.m-3 olurken, evaporatif emisyonların katkı değeri gündüz saatlerinde 7,2 µg.m-3 ve gece saatlerinde 4,8 µg.m-3'tür. PMF, dizel araç emisyonları ve biyojenik emisyonları birbirinden ayıramamış; bu iki kaynak, kaynak profillerinin incelenmesi ile ayrılabilmiştir. Buna göre dizel araç emisyonlarının katkı değerleri gündüz saatlerinde 7.2 µg.m-3 ve gece saatlerinde 6.6 µg.m-3 olarak hesaplanırken biyojenik emisyonların katkı değerleri gece ve gündüz saatleri için 0.7 µg.m-3 ila 1.1 µg.m-3 arasında değişmiştir. Elde edilen sonuçlar meteorolojik verilerle karşılaştırılmış ve doğruluğu teyit edilmiştir.

Abstract:
Because of their elevated concentrations in the atmosphere due to the intensive use of fossil fuels and industrial solvents as well as motor vehicle emissions, volatile organic compounds (VOCs) are one of the most pressing concerns to air pollution engineers in especially urban areas. VOCs may have a number of adverse effects on public health and welfare. First of all, they participate in atmospheric photochemical reactions leading to the elevated tropospheric ozone concentrations. Besides, some of them are known to be human carcinogens and even mutagens.Most of the ambient VOCs in urban atmospheres originate from anthropogenic sources including traffic emissions, and industrial use of solvents as well as fossil fuels. Even domestic use of solvent-based household products and cooking contribute to the ambient levels of certain VOC species. In addition to the anthropogenic sources, VOCs are also emitted by biogenic sources.A great number of research papers have been dedicated to ambient VOCs in the past years. Several researchers estimated sources of these pollutants while several others focused on the assessment of levels of ambient VOC pollution. In addition, ambient VOCs have been investigated by several researchers due to the fact that they possess deep impacts associated with their toxic and carcinogenic as well as odorous effects. In contrast, the papers dedicated to ambient VOC pollution in Turkey is very limited.Characterization of ambient levels and sources of volatile organic compounds especially in urban atmospheres is an important task for air pollution engineers for implementation of management strategies. This study focuses on the identification and apportionment of sources of ambient volatile organic compounds in Davutpasa campus of Yildiz Technical University (YTU) and on the prediction of diurnal changes of source contributions. Three receptor models, Positive Matrix Factorization (PMF), Principal Component Analysis ? Multiple Linear Regression (PCA-MLR) and Chemical Mass Balance (CMB), were used for source identification and apportionment purposes. The performances of three models were also assessed.The performance of each model was evaluated with respect to its own performance criteria and PMF was found to be more successful than others in explaining the pollution sources. According to PMF results, there are six distinct sources that are effective on ambient air quality in YTU Davutpasa Campus as solvent use, general industrial paint use, gasoline and diesel vehicle exhaust, evaporative emissions, and biogenic emissions. Emissions related with solvent use was the most effective source according to PMF results. Their contribution to VOC pollution within the campus was 21.1 µg.m-3 during daytimes and 14.4 µg.m-3 during nighttimes. The contribution of emissions related with paint use ranged from 10.4 to 27.5 µg.m-3 while gasoline vehicle exhaust contributed 10.8 µg.m-3 during daytimes and 5.3 µg.m-3 during nighttimes. Evaporative emissions contributed 7.2 µg.m-3 during daytimes and 4.8 µg.m-3 during nighttimes. PMF was unable to seperate diesel vehicle exhaust and biogenic emissions. These two sources were separated by examining the source profiles. The results suggested that diesel vehicle exhaust contribution was calculated as 7.2 µg.m-3 during daytimes and 6.6 µg.m-3 during nighttimes. The contribution of biogenic emissions ranged from 0.7 µg.m-3 to 1.1 µg.m-3 during nighttimes and daytimes, respectively. The results were compared with meteorological data to confirm them.