Selektive Feinstaubbestimmung

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1 Selektive Feinstaubbestimmung Dipl.-Ing. Roland Sommer Feinstaubsymposium Erlangen

2 Motivation 2005: Inkrafttreten der Europäischen Feinstaubrichtlinie Grenzwert: 40 µg/m³ (Jahresmittelwert) Problem: Es wird nur die Gesamtkonzentration (< 10µm) betrachtet ohne zwischen einzelnen Größenklassen und Partikeln zu unterscheiden Dieselruß keine eindeutige Bewertung des Feinstaubs

3 Motivation 1. Ultrafeine Partikel sind gesundheitsschädlicher als grobe Teilchen Bestimmung der Massenkonzentration der ultrafeinen Partikeln 2. Welche Partikel werden gemessen? Selektive Partikelbestimmung 3. Problem: Welche Emissionsquelle? Online-Charakterisierung Schnelles selektives Messsystem notwendig

4 Messmethoden 1. Wiegen (Gravimetrie) Prinzip: Filter Pumpe Feinstaub PM10 Wiegen des Filters vor und nach Belegung Gesamtmassenkonzentration nicht selektiv (Erfassung sämtlicher Partikel) zeitaufwendig

5 Messmethoden 2. Zählen Prinzip: Partikelabscheider Feinstaub.. Zählen der einzelnen Größenfraktionen Anzahlkonzentration keine Unterscheidung von verschiedenen Partikeln

6 Messmethoden 3. Oberflächenbestimmung Dieselruß Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Chemische Adsorptionsverfahren eindeutige nicht-selektive Größenbestimmung möglich zeit- und kostenintensiv

7 Prinzip der laserinduzierten Glühtechnik Aufheizung der Rußpartikel mit hochenergetischem Laserpuls Verdampfung Detektion der emittierten Wärmestrahlung Wärmeleitung Selektive Rußbestimmung von elementarem Kohlenstoff (EC) Messungen in Echtzeit möglich (>1Hz)

8 Prinzip der laserinduzierten Glühtechnik 1 Maximalsignal proportional zur Massenkonzentration Signal [normiert] zeitlicher Abfall abhängig von spezifische Oberfläche d p =40nm d p =20nm d p =30nm Zeit t [ns]

9 Messaufbau: Mobile Detektionseinheit Datenverarbeitung Detektionseinheit

10 Stationäre Messungen Messungen in Erlangen Pfarrstraße Kraepelinstraße Massenanteil des Rußes (bzw. des elementaren Kohlenstoffs) am Gesamtstaub? Quelle der Partikelemissionen? Vergleich mit gravimetrischem Sammelmesssystem (TEOM)

11 Stationäre Messungen Erlangen: Kraepelinstraße Gesamtstaub PM10 elementarer Kohlenstoff Massenkonzentration [µg/m³] < 3µg/m³ :00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 Feinstaub kommt hauptsächlich aus natürlichen Quellen

12 Stationäre Messungen Erlangen: Pfarrstraße Gesamtstaub (10.06) elementarer Kohlenstoff (10.06) Gesamtstaub (14.06) elementarer Kohlenstoff (14.06) Massenkonzentration [µg/m³] :00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 Anteil an elementaren Kohlenstoff liegt zwischen 15 and 50% der Gesamtkonzentration

13 Stationäre Messungen Erlangen: Pfarrstraße typischer beispielhafter Konzentrationsverlauf EC mass concentration [mg/m³] durchschnittliche Belastung: 9 µg/m³ einzelne Fahrzeuge 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 time sehr hohe Emissionen einzelner Fahrzeuge

14 Stationäre Messungen Bushaltestelle: Belastung für Schüler EC mass concentration [mg/m³] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Messstellenhöhe 1.40m 0,1 0, s time kurzeitige aber sehr hohe Belastung für Kinder Dieselpartikelfilter für Busse zwingend notwendig

15 Mobile Messungen: außerhalb des Fahrzeugs Rußbelastung während mobiler Messungen? EC mass concentration [mg/m³] Nürnberg: Hauptverkehrszeit Verkehrsstau Straßenkreuzungen :30 07:40 07:50 08:00 08:10 08:20 08:30 08:40 time

16 Mobile Messungen: außerhalb des Fahrzeugs Nürnberg: Verkehrsstau an einer Kreuzung eindeutige Zuordnung einzelner Fahrzeuge möglich

17 Mobile Messungen: innerhalb des Fahrzeugs Wie viele Rußpartikel inhaliert ein Fahrer? Nürnberg: Hauptverkehrszeit Vergleich in- und außerhalb des Fahrzeugs Durchschnittliche Konzentration [µg/m³] Max. Rußmassenkonzentration [µg/m³] Spezifische Oberfläche [m²/mg] Primärpartikelgröße [nm] außerhalb des Fahrzeugs 8-10 bis zu 820 0,361-0, im Auto max 120 0,279-0, permanent höhere Rußkonzentrationen im Fahrzeug im Vergleich zur Umgebung

18 Mobile Messungen: Tunnelfahrt 0.30 EC mass concentration [mg/m³] Tunnel Fahrgeschwindigkeit: 60 km/h Messort: im Fahrzeug 16:16 16:18 16:20 16:22 16:24 16:26 16:28 time Langzeitbelastung auch nach dem Tunnel

19 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Simultane direkte Bestimmung der Rußmassenkonzentration und spezifischer Oberfläche Eindeutige Zuordnung von hohen Spitzenkonzentrationen einzelner Fahrzeuge möglich Höhere durchschnittliche Konzentrationen im Fahrzeug detektierbar Ausblick Optimierung des Detektionsbereichs (<1µg/m³) Umfangreiche Feinstaubfeldstudien