Forschung für die zivile Sicherheit. Detektoren Array mit Chromatograph zur Identifikation toxischer Substanzen DACHS

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1 Forschung für die zivile Sicherheit Detektoren Array mit Chromatograph zur Identifikation toxischer Substanzen DACHS Gerhard Matz Institut für Messtechnik Technische Universität Hamburg-Harburg 1 -Berlin,

2 Forschung für die zivile Sicherheit Detektoren Array mit Chromatograph zur Identifikation toxischer Substanzen (DACHS) Förderung durch: 2 -Berlin,

3 Verbundpartner und Mitarbeiter Detektoren Array mit Chromatograph zur Identifikation toxischer Substanzen (DACHS) Airsense: Walte, Ungethüm TUHH: Fischer, Frank, Matz BBK: Drobig ATF: König, Storm 3 -Berlin,

4 DACHS - Aufgabe Antwort auf Fragen bei Unfällen in chemischen Anlagen, bei Transport oder terroristischen Angriffen Tornesch, Januar 2007 (Bild: Feuerwehr Hamburg) Was ist freigesetzt worden? Wie ist die Verteilung der Schadstoffe? Wie ist die Gefährdung der Einsatztruppe, der Bevölkerung und der Umwelt? 4 -Berlin,

5 GDA: Messgerät zur Probe - Antwort sofort vor Ort! Tornesch, Januar 2007 (Bild: Feuerwehr Hamburg) 5 -Berlin,

6 GDA - Messaufgabe Schnelle Detektion des Zustands: da ist was in der Luft oder die Luft ist rein Kein negativ falsch, d.h. bei Vorhandensein einer Kontamination der Luft wird das in Form von Balken angezeigt bzw. alarmiert Wenn Reinsubstanz und diese ist im Musterbibliothek des GDA Mustererkennung und Identifizierung 6 -Berlin,

7 ETW - Gefahrstoffliste und geeignete Sensoren Substanz ETW Einsatztoleranzwert in ppm geeignete Sensoren Aceton 500 IMS, PID, HL Acrolein 0,2 HL höhere Konzentr. Acrylnitril 20 IMS, HL Ammoniak 50 IMS, HL, EZ Benzol 20 PID, HL Blausäure 5 IMS, EZ Chlor 1 IMS, EZ Chlorbenzol 100 PID, HL Chlorcyan 0,3 IMS Essigsäure 20 IMS, HL Ethanol IMS, PID, HL Fluorwasserstoff 5 (IMS), EZ Formaldehyd 1 EZ, HL höhere Konzentr. n-hexan 200 PID, HL Hydrazin 1 IMS 7 -Berlin,

8 ETW AEGL3 IMS PID EC MOS Acetic Acid 20 Kombination von Sensoren zum Array Acetone 500 Acroleine 0,2 Acrylnitrile 20 Ammonia 50 Arsine, ASH3 1 Benzene 20 Boron Trichloride 2 Boron Trifluoride 3 Carbon Disulfide 10 Carbon Monoxide 100 Chlorine 1 Chlorobenzene 100 Chlorocyane 0,3 0,1 Diborane 0,8 1,2- Dimethylhydrazine 16 Epichlorohydrin 3000 Ethanol 6,1 Ethylene Oxide 14 Ethylene Diamine 1 Formaldehyde 200 Hexane, n- 1 Hydrazine 3,5 Hydrogen Bromide 5,4 Hydrogen chloride 3,5 Hydrogen cyanide 12 Hydrogen fluoride 20 Hydrogen sulfide 720 Methanol 3 Methyl Mercaptane 3 Nitric Acid 8,2 Nitrogen dioxide 0,08 Phosgene 0,5 Phosphine 0,1 Phosporous Trichloride, POCl 40 Styrene 1 Sulfur dioxide 3 Sulfuric Acid 120 Tetrachloroethylene 94 Toluene 0,02 Toluene diisocyanate, TDI 90 Trichloro methane 380 Trichloroethane, 1,1,1-25 Trichloroethane, 1,1,2-100 Trichloroethylene 100 Vinyl chloride Alle Gase können detektiert werden Durch orthogonale Sensoren und Datenfusion ist eine bessere Identifizierung möglich 8 -Berlin,

9 Identifizierung von 23 ETW-Rein-Substanzen Styrol Unbekannter HC Acrylniril Acrylnitril Formaldehyd MeOH Aceton DMMP DMMP Ethanol Ethanol MSal MSal Cleaner A TDI TDI MEOH MeOH Pentan unbekannter HC Benzol Aromat Chlorbenzol Hydrazin/ unbekannter HC Acrolein Acrolein HNO3 NO2 9 -Berlin,

10 Anforderungen an das neue analytische System breitbandige Detektion von Industriechemikalien Identifikation und Quantifikation tragbares System mit schnellem Nachweis Detektorenarray 10 -Berlin,

11 Direkte Messung wie GDA Gegenspülen mit gefilterter Luft Aktivkohlefilter Hauptpumpe System ständig gespült Messung startet durch Stop des Gegenspülens Probeluft kontrolliert verdünnt - Autoranging 11 -Berlin,

12 Direkte Messung Sensor 1 Signalhöhe Sensor 2 Sensor 6... Mustererkennung IMS + IMS - Insgesamt: 10 Kanäle 12 -Berlin,

13 Weitere Anforderungen Einige Chemikalien, besonders im Gemisch, können nicht unterschieden werden Lösung: Auftrennung in Einzelkomponenten Chromatographie Nicht überlagerte Muster Laufzeit der Gase zusätzlicher Parameter zur Identifikation 13 -Berlin,

14 Systemerweiterung durch Gaschromatographie Aktivkohle Charcoal Filter Tenax GC Haupt- Pumpe Inlet Probe wird angereichert auf Tenax Injektion mit Desorption Spülen mit AK-gefilterter Luft 14 -Berlin,

15 Spezielle Herausforderungen GC Trennung muss schnell sein Kurz-GC Hoher Gasfluss notwendig wegen der relativ hohen Totvolumina (mehrere Sensoren) Multikapillaren 15 -Berlin,

16 Realisierung des Gaschromatographen Kapton Heizer Isotherme Heizung Temperaturregelung (Mikrocontroller) Wechselbares Modul für verschiedene Kapillartypen Multikapillare 38 Einzelkapillaren, 34 cm Länge 16 -Berlin,

17 Gesamtsystem, Sensorblock und Ventile GC Sensorblock Mikroventile IMS Filter Lasersinterverfahren mit Edelstahl 17 -Berlin,

18 Nachweisgrenze für den PID im DACHS LOD 3x standard deviation 18 -Berlin,

19 GC-Lauf mit Doppel-Röhren-IMS t = 5-6 s IMS- Trichlorethen IMS+ 19 -Berlin,

20 GC-Lauf mit Doppel-IMS und HL und PID Tetrachlorethen t = s IMS- 1,1,1-Trichlorethan IMS+ Hexan 20 -Berlin,

21 Bedienelemente DACHS Touchscreen Auslöser startet Messung Hardware- Tasten 21 -Berlin,

22 Messmodus - Direkte schnelle Messung mit Identifikation möglich über Mustererkennung - Start eines GC-Laufs wenn die Situation es erfordert, z.b. bei Verdacht auf Gemisch 22 -Berlin,

23 Schlussbemerkung Schnelles Hand-Analysesystem für Spurengase, z.b. ETW-Stoffe verschiedene Sensorprinzipien IMS, PID, HL und ECZ - Unterscheidung der Gefahrstoffe Substanzen in 180s mit dem GC separiert und identifiziert Software und Erprobung nicht abgeschlossen 23 -Berlin,

24 8 Jahre vom Projektstart zur Innovation Nach 4 Jahren Projektdauer: 3 Dachs-Demonstratoren mech/elektronisch realisiert Softwareentwicklungsbedarf und Evaluation BBK/Bedarfsträger (Task-Force C) 1 Jahr Danach Kommerzialisierung: Prototyp in 2 Jahren Marktgerechtes System in 3 Jahren Wenn: Dachs als Produkt am Markt angekommen in 4 Jahren Innovation 24 -Berlin,