University of Oulu

Theoretical and synchrotron excited spectroscopic studies of water solutions as model systems of atmospheric cloud droplets

Saved in:
Author: Michailoudi, Georgia1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Science, Physics, Nano and Molecular Systems Research unit (NANOMO)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526230061
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-06-28
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic Dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Science, University of Oulu, for public discussion in the Auditorium L2, on August 23rd, 2021, at 12 o'clock noon.
Tutor: Associate Professor Nønne L. Prisle
Professor Marko Huttula
Reviewer: Associate Professor Taina Yli-Juuti
Docent Johannes Niskanen
Opponent: Associate Professor Jenny Rissler
Kustos: Associate Professor Nønne L. Prisle
Description:

Abstract

Aerosol particles play significant roles in atmospheric processes but their effects pose large uncertainties in climate predictions. This thesis presents computational and experimental studies of aqueous organic and organic-inorganic solutions that serve as model systems of cloud droplets for better understanding of aerosols and their impact on climate. Carbon and oxygen K-edge X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) has been applied in order to study molecular level interactions in aqueous solutions of glyoxal and methylglyoxal and to investigate potential salting effects with addition of inorganic salts to the solutions. The spectra were used for identification of chemical bonds and hydrated forms in the solutions. Carbon K-edge XAS was applied also for the study of binary aqueous solutions comprising surfactantssodium hexanoate and sodium octanoate. The solutions were measured for concentrations of solutes above and below the critical micelle concentration in order to observe the formation of micelles in the solution. In the case of aqueous sodium octanoate changes in the shapes of the spectra with increasing concentrations suggest changes in the chemical environment of the carbon atoms that could possibly be related to micelle formation. COSMOtherm, a software based on COSMO-RS (COnductor like Screening MOdel for Real Solvents), was used to predict solubilities and activity coefficients for C₂–C₁₂ fatty acids with even number of carbon atoms and their sodium salts in binary aqueous solutions and also in ternary solutions, comprising inorganic salts. The computed values indicate that COSMOtherm can be used to provide information about atmospheric organic components of aqueous solutions where experimental data are currently inaccessible. The results of these studies contribute to understanding of cloud microphysics and may be used to improve accuracy of atmospheric model predictions.

see all

Abstrakti

Aerosolihiukkasilla on merkittävä rooli ilmakehän prosesseissa, mutta niiden vaikutuksiin liittyy suuria epävarmuuksia ilmastoennusteissa. Tässä tutkielmassa on tehty laskennallisia ja kokeellisia tutkimuksia orgaanisten aineiden vesiliuoksista sekä epäorgaanisten suolojen kanssa että ilman niitä. Nämä vesiliuokset ovat mallisysteemejä pilvipisaroille, ja niiden tutkimus auttaa ymmärtämään paremmin aerosoleja ja niiden ilmastovaikutuksista. Hiilen ja hapen K-kuoren röntgenabsorptiospektroskopialla tutkittiin molekyylitason vuorovaikutuksia glyoksaalin ja metyyliglyoksaalin vesiliuoksissa ja näiden orgaanisten aineiden aiheuttamia mahdollisia muutoksia epäorgaanisten suolojen liukoisuuteen. Röntgenabsorptiospektrejä käytettiin kemiallisten sidosten ja hydratoituneiden muotojen tunnistamiseen. Hiilen K-kuoren röntgenabsorptiospektroskopiaa sovellettiin myös pinta-aktiivisia aineita (natriumheksanoaattia ja -oktanoaattia) sisältävien vesiliuosten tutkimiseen. Mittauksia tehtiin pinta-aktiivisten aineiden pitoisuuksille molemmin puolin ns. kriittistä misellikonsentraatiota, jossa misellien muodostumisen tulisi alkaa; natriumoktanoaatin vesiliuoksen tapauksessa spektrien muoto muuttui pitoisuuden kasvaessa, mikä kertoo hiiliatomien kemiallisen ympäristön muutoksesta mahdolliseen misellien muodostumiseen liittyen. COSMOtherm on COSMO-RS-menetelmään (COnductor like Screening MOdel for Real Solvents) perustuva mallinnusohjelma, jota käytettiin ennustamaan parillisen määrän hiiliatomeja sisältävien C₂–C₁₂ rasvahappojen ja niiden natriumsuolojen liukoisuuksia ja aktiivisuusvakioita vesiliuoksissa ja epäorgaanisia suoloja sisältävissä vesiliuoksissa. Laskennalliset tulokset osoittivat, että COSMOtherm voi antaa arvokasta tietoa ilmakehässä esiintyvien orgaanisten aineiden vesiliuoksista, erityisesti tapauksissa, joissa kokeellisia arvoja ei ole vielä saatavilla. Tutkimusten tulokset auttavat ymmärtämään pilvien mikrofysiikkaa ja niitä voidaan käyttää ilmakehämallien ennusteiden tarkentamisessa.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Michailoudi, G., Hyttinen, N., Kurtén, T., & Prisle, N. L. (2019). Solubility and Activity Coefficients of Atmospheric Surfactants in Aqueous Solution Evaluated Using COSMOtherm. The Journal of Physical Chemistry A, 124(2), 430–443. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.9b09780

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Michailoudi, G., Lin, J. J., Yuzawa, H., Nagasaka, M., Huttula, M., Kosugi, N., Kurtén, T., Patanen, M., & Prisle, N. L. (2021). Aqueous-phase behavior of glyoxal and methylglyoxal observed with carbon and oxygen K-edge X-ray absorption spectroscopy. Atmospheric Chemistry and Physics, 21(4), 2881–2894. https://doi.org/10.5194/acp-21-2881-2021

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Lin, J. J., Michailoudi, G., Raj, K., Yuzawa, R. H., Iwayama, H., Nagasaka, M., Huttula, M., & Prisle, N. L. (2021). Formation and properties of micelles from atmospheric amphiphiles studied using synchrotron X-ray absorption spectroscopy on a liquid ow-cell. Manuscript in preparation.

see all

Series: Report series in physical sciences
ISSN: 1239-4327
ISSN-L: 1239-4327
ISBN: 978-952-62-3006-1
ISBN Print: 978-952-62-3005-4
Issue: 141
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 114 Physical sciences
Subjects:
XAS
Funding: This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie (grant agreement No. 713606) and the Scholarship Fund of the University of Oulu. This research was also granted travel funding from the University of Oulu Graduate School, the Magnus Ehrnrooth foundation and by the project CALIPSOplus (grant agreement No. 730872) from the EU Framework Programme for Research and Innovation Horizon 2020.
EU Grant Number: (713606) I4FUTURE - Novel Imaging and Characterisation Methods in Bio, Medical, and Environmental Research and Technology Innovations
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.