Coal fly ash: How sample properties and methodology influence immersion freezing results

Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften können sogenannte eisnukleierende Partikel die Bildung von Eis in Wolken katalysieren. Laboruntersuchungen zum Gefrierverhalten dieser Partikel haben sich als wertvoll erwiesen, wenn es um das Verständnis zugrunde liegender Prinzipien und Mechanismen geht. Eine Spezies, die in früheren Untersuchungen vernachlässigt wurde, ist Flugasche aus Kohleverbrennung. Kohle-Flugasche (KFA) wird aufgrund ineffizienter Filterung submikroner Partikel über die Schornsteine von Kraftwerken emittiert und kann, in Abhängigkeit der meteorologischen Bedingungen, die Vereisung von Wolken in der Nähe der Quelle und darüber hinaus beeinflussen. In dieser Arbeit wurde das Immersionsgefrierverhalten, d.h. der Einfluss eingeschlossener Partikel auf das Gefrieren unterkühlter Tropfen, für vier verschiedene KFA-Proben aus deutschen Kohlekraftwerken untersucht. Dabei wurden einerseits Tropfen untersucht, die ein einzelnes submikrones Partikel enthielten. Andererseits wurde das Gefrierverhalten von Suspensionstropfen, die eine Vielzahl verschieden großer Partikel beinhalteten, quantifiziert. Zusätzlich wurden die Proben, sowohl in ihrer Gesamtheit als auch in Form einzelner submikroner Partikel, bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung, Morphologie und Kristallographie analysiert. Es wurde festgestellt, dass die Gefriereffizienz der Proben innerhalb von Minuten abnimmt, sobald diese in Berührung mit Wasser kommen. Immersionsgefriermessungen mit purem Anhydrit (CaSO4 ), das in den Proben nachgewiesen wurde, zeigten einen ähnlichen Trend, d.h. eine abnehmende Effizienz mit zunehmender Suspensionszeit. Diese Beobachtung, und die Übereinstimmung von Messungen mit KFA-Suspensionspartikeln und Gips (CaSO 4 * 2H2O, ein Hydrat des Anhydrits), weisen darauf hin, dass Hydratation die Ursache für die Abnahme der Gefriereffizienz sein könnte. Dieser Einfluss von Probeneigenschaften und Methodologie auf das Immersionsgefrierverhalten von KFA-Partikeln muss bei der Abschätzung der Relevanz der Partikel für die atmosphärische Eisnukleation unbedingt berücksichtigt werden.:1. Introduction 2. Fundamentals 2.1 Ice nucleation theory 2.2 Properties of CFA particles 3. Materials and Methods 3.1 Materials 3.2 Methods 4. Results 4.1 Physicochemical sample characterization 4.2 Immersion freezing behavior of CFA 5. Discussion 5.1 Comparison to literature results 5.2 Physicochemical particle properties and immersion freezing behavior 5.3 Atmospheric implications 6. Summary and Conclusions 7. OutlookDue to their specific properties, atmospheric ice-nucleating particles are able to catalyze ice formation in clouds. Laboratory studies investigating the freezing behavior of these particles have proven to be of unmatched value when attempting to understand underlying principles and mechanisms. One species that has almost entirely been neglected in previous ice nucleation studies is fly ash from coal combustion (CFA: coal fly ash). Emitted through the stacks of power plants due to inefficient filtering of submicron particles, CFA has the potential to influence cloud glaciation in source regions and beyond, depending on the meteorological conditions. In this thesis, the immersion freezing behavior, i.e., the influence of particles immersed in supercooled cloud droplets on ice nucleation, of four samples from German power plants was determined with the help of several single particle and bulk instruments. In parallel, single particles and bulk CFA were investigated with respect to their chemical composition, morphology, and crystallography. It was found that the immersion freezing efficiency of the CFA particles decreases in contact with water on the time scale of minutes. Hydration products, that were found in both single particles and in the bulk after suspension, could be responsible for this unique behavior. Immersion freezing measurements with pure anhydrite (anhydrous CaSO4 ), which is known to occur at the surface of CFA particles, showed the same qualitative trend, i.e., a decreasing efficiency with increasing suspension time. This observation, and the agreement between measurements with suspended CFA particles and gypsum (CaSO4 * 2H2O, a hydrate of anhydrite), support the hypothesis that hydration causes the observed decrease in immersion freezing efficiency. This influence of sample properties and methodology on the immersion freezing behavior of CFA must be taken into consideration when assessing the relevance of these particles for atmospheric ice nucleation.:1. Introduction 2. Fundamentals 2.1 Ice nucleation theory 2.2 Properties of CFA particles 3. Materials and Methods 3.1 Materials 3.2 Methods 4. Results 4.1 Physicochemical sample characterization 4.2 Immersion freezing behavior of CFA 5. Discussion 5.1 Comparison to literature results 5.2 Physicochemical particle properties and immersion freezing behavior 5.3 Atmospheric implications 6. Summary and Conclusions 7. Outloo