Partikelcharakterisierung an verschiedenen Immissionsstandorten im Kanton Aargau (PIA)

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1 Partikelcharakterisierung an verschiedenen Immissionsstandorten im Kanton Aargau (PIA) Methodische Vergleiche und Resultate einer einjährigen Messkampagne Oktober 2014 Departement Bau, Verkehr und Umwelt

2 Herausgeber Departement Bau, Verkehr und Umwelt Abteilung für Umwelt Entfelderstrasse Aarau Fotografie Markus Schenk Departement Bau, Verkehr und Umwelt Abteilung für Umwelt Entfelderstrasse Aarau Text Thomas Zünd Mario Meier c/o Fri Up Passage du Cardinal Fribourg Unterstützt durch das Bundesamt für Umwelt (BAFU) Copyright 2014 Kanton Aargau 2

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 1. Motivation 3 2. Methodik Grobstaub-Probenahme (d p µm) Grobstaub-Partikelanalytik (d p µm) Feinstaub-Probenahme (d p 2.5 µm) Feinstaub-Inhaltsstoffanalytik (d p 2.5 µm) 6 3. Messkonzept Messstandorte Messinfrastruktur und Messumfang 9 4. Resultate Grobstaub (d p µm) Grobstaub (d p µm) Feinstaub (d p 2.5 µm) Ereignisse Grössenabhängige Zusammensetzung des Staubes Methodenvergleiche und neue Techniken Eignung des Sigma-2 als orientierende PM10 Messung Eignung des Sigma-2 für die chemische Partikelcharakterisierung der Grössenfraktionen zwischen d p. 2.5 und 80 µm Morpho-chemische Partikelbestimmung ab Ordnungszahl Eignung von Sigma-2 und VS-C Minivolume-Sampler für eine quellenspezifische Erfolgskontrolle Eignung des Minivolume-Samplers für die PM10 Bestimmung nach EN Vergleichbarkeit der EC Bestimmung mittels Sootscan und TOT Methode Lufthygienische Erkenntnisse Messtechnische Erfahrungen und Empfehlungen Sigma-2 Passivsammler Leckel Minivolume-Sampler VS-C Dank Glossar Literaturhinweise 39

4 Einleitung Luftgetragene Partikel geraten zunehmend in den Fokus der Luftreinhaltung. Partikel können zum Beispiel zu Verschmutzungen und Korrosionen von Infrastruktur und Gebrauchsgegenständen führen, sie können das Klima beeinflussen und die Atemluft mit kanzerogenen Stoffen belasten. Die Kenntnisse über die Entstehung, die Veränderung und die Auswirkungen sind noch nicht für alle Partikelarten vollständig bekannt. Um die bestehenden Kenntnisse bei den Partikel zu ergänzen, hat die Sektion Luft und Lärm des Kantons Aargau 2013 mit Unterstützung des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) ein Projekt zur Partikelcharakterisierung geplant und zwischen April 2013 und März 2014 messtechnisch umgesetzt. Die Messungen wurden primär zur Ermittlung der Partikelherkunft durchgeführt. Zudem sollten verschiedene messmethodische Fragen beantwortet werden und die Probenahme- und Analysenerfahrungen dokumentiert werden. Aufgrund der komplexen Zusammensetzung des Staubes ist es schwierig, mit einer einzigen Analyse, alle relevanten Kenngrössen zu erfassen. Dies fängt schon bei der Partikelgrösse an, welche sich von wenigen Nanometern bis zu Millimetern bewegen kann. Dazu kommt, dass die chemische Zusammensetzung von Partikel zu Partikel stark variieren kann. Zudem können Primärpartikel aus verschiedenen Quellen agglomerieren und so zu sehr komplexen Objekten transformieren. Aus diesem Grunde wurde schon die Partikelprobenahme in zwei Grössenbereiche gesplittet. Damit lassen sich die Partikel aus verschiedenen Quellen bereits beim Sammeln einigermassen differenzieren, was die Interpretation der Analysenwerte um einiges vereinfacht resp. überhaupt zulässt. Da die Analytik aufwendig und teuer ist, wurde die Zeitauflösung je nach Komponente und Fragestellung unterschiedlich gehandhabt. Die wichtigsten Erkenntnisse aus dem vorliegenden Projekt sind im Kapitel 6 zusammengefasst. Das Kapitel 7 gibt Auskunft über die methodischen Erfahrungen und enthält Empfehlungen und Tipps für andere Organisationen, welche ähnliche Messungen planen und durchführen wollen. PIA Projekt 2013/2014 Seite 2

5 1. Motivation In der Schweiz wird die Staubbelastung seit 1998 als PM10 Massenkonzentration gemessen. Damit lässt sich die örtliche Belastung mit den entsprechenden LRV Grenzwerten vergleichen, jedoch keine Aussage über die Partikelherkunft und die chemische Zusammensetzung machen. Da die PM10 Konzentrationen der drei kantonalen Immissionsmessstationen an unterschiedlichen Immissionskategorien nur minimale Unterschiede zeigen (Abbildung 1), stellt sich die Frage, ob diese Ähnlichkeit bei den PM10 Inhaltsstoffen auch auftritt. PM10 µg/m Baden Sisseln Suhr 20 0 Abbildung 1: PM10 Belastung 2012 im Jahresverlauf an drei Aargauer Immissionsmessstandorten Mit der bestehenden Infrastruktur (High Volume Sampler und TEOM FDMS) ist eine morphochemische Partikelcharakterisierung sehr aufwendig, wenn nicht sogar unmöglich. Deshalb beschloss der Kanton Aargau, neue Wege zu beschreiten um solche Informationen möglichst günstig zu erhalten. Zur gleichen Zeit interessierte sich das BAFU für methodische Fragestellungen im Zusammenhang mit der geplanten einzusetzenden Hardware. Für das BAFU standen folgende Fragestellungen im Vordergrund: Ist das Probenahmegerät Sigma-2 für eine einfache und kostengünstige, orientierende PM10 Messung einsetzbar und mit welcher Messunsicherheit muss für Wochenmittelwerte gerechnet werden? Siehe Kap. 5.1 Ist der Sigma-2 für die Erfassung der chemischen Zusammensetzung sowie die Elementaranalyse im Coarse Mode geeignet? Siehe Kap. 5.2 Besteht die Möglichkeit der Inhaltsstoffcharakterisierung für Elemente ab Ordnungszahl 6? Siehe Kap. 5.3 Ist mit einer Kombination von Sigma-2 und Minivolume-Sampler eine quellenspezifische Erfolgskontrollmesskampagne für PM10 möglich? Siehe Kap. 5.4 Für die QS von kontinuierlichen PM10 Messgeräten soll ein Vergleich aufzeigen, ob der Minivolume-Sampler für die gravimetrische Parallelmessung in Wochenauflösung ein taugliches kostengünstiges Verfahren darstellt. Siehe Kap. 5.5 Mit einer Parallelmessung mit dem Sootscan der EMPA und der thermo-optischen EC Bestimmung auf den identischen Filtern von 7 unterschiedlichen Immissionsstandorten soll die Messunsicherheit der BC Bestimmung stationsspezifisch bestimmt werden. Siehe Kap. 5.6 PIA Projekt 2013/2014 Seite 3

6 2. Methodik Die Bestimmung der Partikelherkunft ist in TSP- oder PM10 Proben nur mit sehr grossem Aufwand möglich. Deshalb wurde die Probenahme grössenselektiv gesplittet. Da der Sigma-2 gemäss VDI 2119:2013 eine Eignung ab 2.5 µm geometrischem Durchmesser hat, war der Splittingpoint zwischen den Probenahmemethoden vorgegeben. Für die Probenahme bedeutete dies, dass der Grobstaub d p > 2.5 µm Durchmesser mit dem Sigma- 2 gesammelt wurde und die Partikel d p < 2.5 µm Durchmesser mit einem Minivolume-Sampler mit einem aerodynamischen Grobstaubabscheider. Dieser wurde mit einem Fluss von 200l/h betrieben, sodass die Filterstandzeit mindestens eine Woche betrug und damit im identischen Probenahmeintervall wie die Sigma-2 Probenahme betrieben werden konnte. Auf eine detaillierte morphologische Charakterisierung der PM2.5 Fraktion wurde verzichtet, da diese den Umfang des Projektes gesprengt hätte. Da ein grosser Anteil dieser Partikel sekundären Ursprungs ist, ist auch die Morphologie weniger aussagekräftig, wie dies bei primär entstandenen Partikeln der Fall ist. Abbildung 2: Quellen und ihre morpho-chemischen Partikelbeiträge, Quelle Particle Vision GmbH PIA Projekt 2013/2014 Seite 4

7 2.1 Grobstaub-Probenahme (d p µm) Die Probenahme des Grobstaubes wurde mit dem Sigma-2 Passivsammler durchgeführt. Die mit der natürlichen Luftströmung transportierten Partikel gelangen ins wind-beruhigte Innere des Passivsammlers. Dort sedimentieren die Partikel mit einem geometrischen Durchmesser zwischen 2.5 und 80 µm und setzen sich auf einer transparenten Folie von 65x65 mm 2 Fläche ab. Diese ist auf der Oberseite mit ca. 50 µm eines witterungsbeständigen Klebers beschichtet, sodass die Partikel auch beim Transport ins Labor nicht verloren gehen. Die Probenahme erfolgte über 7 Tage. In vereinzelten Fällen, z.b. Abwesenheit des Wechselpersonals, sind auch abweichende Probenahmeperioden entstanden. Diese wurden jedoch protokolliert und bei der Berechnung berücksichtigt. Die exponierten Haftfolien wurden nach der Exposition trocken und im Dunkeln bei Raumtemperatur zwischengelagert und alle 2 bis 3 Monate dem Labor des Deutschen Wetterdienstes zur Analyse übergeben. 2.2 Grobstaub-Partikelanalytik (d p µm) Im Labor des Deutschen Wetterdienstes wurden die Folien bei C in einer staubfreien Umgebung konditioniert. Danach wurde aus der 65 x 65 mm 2 Haftfolie ein 18 x 18 mm 2 abmessendes Quadrat ausgestanzt. Dieses wurde in einem wässerigen Immersionsöl mit einem Brechungsindex von 1.43 eingebettet. Die Partikelanalyse erfolgte automatisch unter einem Durchlichtmikroskop bei 20-facher Vergrösserung. Insgesamt wurde eine Fläche von 10 mm 2 gescannt. Die daraus entstehenden 100 Bilder wurden mit einem Bildanalysenprogramm analysiert und die Partikel vermessen. Aus den so gewonnenen Partikeldaten wurden gemäss VDI Richtlinie 2119:2013 die Partikelsedimentationsrate und die Massenkonzentration für folgende 5 Grössenklassen berechnet: Partikelgrössenklassen µm µm µm µm µm Tabelle 1: Grobstaubunterteilung Berechnete Grössenfraktionen d p µm (PMC) d p µm Der Grobstaub (d p µm) kann aufgrund des Partikelkontrastes unter dem Lichtmikroskop in transparent und in opak erscheinende Partikel eingeteilt werden. Die opaken Partikel können grösstenteils als anthropogen bezeichnet werden und bestehen vor allem aus Russ, Abrieb und Metalloxiden. Die transparenten aus mineralischen und biologischen Komponenten. Für Proben, welche unter dem Lichtmikroskop auffällig erscheinen, kann im Nachhinein mittels REM-EDS eine morpho-chemische Analyse durchgeführt werden. Damit können die Partikel chemisch charakterisiert werden. Mit diesen Angaben lassen sich nachher auch Rückschlüsse auf die verursachenden Quellen machen. Diese Analytik wurde von der Firma Particle Vision GmbH, Fribourg mittels XL30 Sirion FEG durchgeführt. PIA Projekt 2013/2014 Seite 5

8 Rasterelektronenmikroskopie Optische Mikroskopie Abbildung 3: Einzelpartikel Analysenprozess für auffällige Proben mittels Rasterelektronenmikroskopie 2.3 Feinstaub-Probenahme (d p 2.5 µm) Für die aktive Probenahme wurde ein Minivolume-Sampler Typ VS-C der Firma Leckel, Berlin benutzt. Dieser wurde mit einem PM2.5 Impaktor für einen Fluss von 200 l/h betrieben. Damit lassen sich Probenahmen zwischen 1 und 4 Wochen Dauer realisieren, ohne dass die Filterkapazität überschritten wird. Das Probenahmegerät braucht ca. 20 W Strom, wiegt rund 10 kg und ist wettertauglich. Da es jedoch über keinen automatischen Probenwechsler verfügt, müssen die Filter für jedes Probenahmeintervall vor Ort ausgewechselt werden. Die Partikelabscheidung erfolgte auf 47 mm Pall Quarzfaserfilter. Der Fluss wurde einerseits über das angezeigte Probenahmevolumen und über die Laufzeit des Gerätes überwacht (wöchentlich). Zusätzlich wurde der Fluss mit einem Massendurchflussregler in Zeitabständen von ca. 3 Monaten kontrolliert und bei Bedarf korrigiert. 2.4 Feinstaub-Inhaltsstoffanalytik (d p 2.5 µm) Für die Inhaltstoffanalytik wurde der Quarzfilter mit einem Spezialwerkzeug geviertelt sodass für jede Analytikmethode ein repräsentatives Filtersegment zur Verfügung stand. Gravimetrie Diese Analytik wurde vom Umweltlabor der Abteilung für Umwelt des Kantons Aargau durchgeführt. Die Konditionierung der Quarzfilter wurde gemäss VDI 2463 Blatt 8 durchgeführt. Mikrowaage: Mettler UMT5 EC/OC Analytik Diese Analytik wurde von der Firma mz partner GmbH, Neudorf durchgeführt. Gerätetyp: Sunset OC/EC Lab Analyzer Temperaturprotokoll: EUSAAR 2 PIA Projekt 2013/2014 Seite 6

9 BC Analytik Diese Analytik wurde von der Firma mz partner gmbh, Neudorf durchgeführt. Der Sootscan wurde von der EMPA Dübendorf zur Verfügung gestellt. Gerätetyp: Sootscan Model OT21 Kationenanalytik (K, Na, Mg, Ca) Diese Analytik wurde von der Firma FUB, Forschungsstelle für Umweltbeobachtung, Rapperswil durchgeführt. Gerätetyp: DIONEX Ion Chromatograph, Modell ICS-1600 Anionenanalyik (Cl, NO 3, und SO 4 ) Diese Analytik wurde von der Firma FUB, Forschungsstelle für Umweltbeobachtung, Rapperswil durchgeführt. Gerätetyp: DIONEX Ion Chromatograph, Modell ICS-1600 Ammoniumanalyik (NH 4 ) Diese Analytik wurde von der Firma FUB, Forschungsstelle für Umweltbeobachtung, Rapperswil durchgeführt. Gerätetyp: FOSS FIA-Star, Modell 5000 PIA Projekt 2013/2014 Seite 7

10 3. Messkonzept 3.1 Messstandorte Das PIA Projekt nutzte bestehende Standorte aus dem Aargauer Immissionsmessnetz und dem Staffeleggprojekt, welches durch die Abteilung Tiefbau des Kantons Aargau für die Erfolgskontrolle einer Umfahrungsstrasse initialisiert wurde. Zusätzlich wurden zwei neue Standorte für das PIA Projekt evaluiert. Standort Höhe über DTV Charakteristik Meer Suhr 390 m Verkehrsbelastet, Stop & Go Verkehr 50 km/h, offene Bebauung Staffelegg A 470 m Transitverkehr 80 km/h, ländlich (1 km Luftlinie von Staffelegg C entfernt) Staffelegg C 410 m Durchgangs- und Lokalverkehr 50 km/h, Dorfkern (1 km Luftlinie von Staffelegg A entfernt) Thalheim Punkt m < 20 Ländlich, Kuppenlage, sehr gut durchlüftet, Ackerbau, Graswirtschaft Schupfart 450 m Durchgang- und Lokalverkehr 50 km/h, möglicherweise Holzfeuerungseinfluss, Dorfrand Baden 400 m < Zone, Stadt, Wohnquartier, sehr begrünt Tabelle 2: PIA Standorte Abbildung 4: Übersichtskarte mit den PIA Standorten (Sisseln ist nicht Bestandteil des PIA Projektes, verfügt aber über eine Sigma-2 Probenahme) PIA Projekt 2013/2014 Seite 8

11 3.2 Messinfrastruktur und Messumfang An allen Standorten wurden die identischen Messgrössen mit identischer Messinfrastruktur gemessen. Grobstaub d p µm Sigma-2 Passivsammler Wochenauflösung Grössenklassierte Massenkonzentration der opaken Partikel Wochenauflösung Grössenklassierte Massenkonzentration der transparenten Partikel Wochenauflösung Morpho-chemische Charakterisierung mittels REM-EDS (für einzelne Proben) Feinstaub d p < 2.5 µm Minivolume-Sampler VS-C Wochenauflösung Wochenauflösung Wochenauflösung Wochenauflösung Monatsauflösung Monatsauflösung Monatsauflösung Monatsauflösung Tabelle 3: Messinfrastruktur und Messparameter Gravimetrie Elementarer Kohlenstoff (EC) Organischer Kohlenstoff (OC) Wasserlösliches Kalium (Stichproben) Ammonium Nitrat Sulfat Chlorid PIA Projekt 2013/2014 Seite 9

12 4. Resultate 4.1 Grobstaub (d p µm) Alleine mit zwei Partikelgrössenfraktionen (d p µm und d p µm) und der Unterscheidung zwischen opaken und transparenten Partikeln lassen sich grosse Unterschiede im Konzentrationsverlauf erkennen. So ist im opaken Grössenbereich d p µm die Konzentration im Sommerhalbjahr deutlich tiefer als im Winterhalbjahr, was auf den Einfluss einer oder mehrerer zusätzlichen Quellen im Winter hinweist (Abbildung 5). Da die transparenten Partikel zum gleichen Zeitpunkt drastisch abnehmen, kann die Zunahme der opaken Partikel nicht nur den schlechteren Ausbreitungsbedingungen im Winterhalbjahr zugeordnet werden, da ein solcher Effekt auch die transparente Partikelkonzentration betreffen würde. Deutlich sichtbar ist auch der Wettereinfluss bei den transparenten Partikeln, wie z.b. in KW20 oder KW37, in welchen über 50% der Tage regnerisch waren (Abbildung 6). Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, dass die Hauptquellen (Winderosion- und Aufwirbelung und biologische Aktivität) stark auf Nässe reagieren und weniger Partikel emittieren, resp. die Partikel direkt nach der Emission ausgewaschen werden. Dies im Gegensatz zu anthropogenen Quellen, welche zum grossen Teil wetterunabhängige Emittenten darstellen (z.b. Verkehr). Aus diesem Grunde reagieren die opaken Partikel in der KW20 und KW37 mit weniger starken Konzentrationsschwankungen. Der Peak in der KW24 wird von biologischen Partikeln dominiert. Dass Baden in dieser Periode die höchsten Konzentrationen aufweist, ist auf den intensiven Grünbewuchs rings um die Messstation zurückzuführen (Abbildung 6). opaker Grobstaub d p µm [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden KW13 KW15 KW17 KW19 KW21 KW23 KW25 KW27 KW29 KW31 KW33 KW35 KW37 KW39 KW41 KW43 KW45 KW47 KW49 KW51 KW01 KW03 KW05 KW07 KW09 KW11 Abbildung 5: zeitlicher Konzentrationsverlauf der opaken Partikel d p µm PIA Projekt 2013/2014 Seite 10

13 transparenter Grobstaub d p µm [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden KW13 KW15 KW17 KW19 KW21 KW23 KW25 KW27 KW29 KW31 KW33 KW35 KW37 KW39 KW41 KW43 KW45 KW47 KW49 KW51 KW01 KW03 KW05 KW07 KW09 KW11 Abbildung 6: zeitlicher Konzentrationsverlauf der transparenten Partikel d p µm Für die Beurteilung des Grobstaubes mit einem geometrischen Durchmesser von µm ist zu beachten, dass der transparente Anteil, welcher hauptsächlich aus natürlichen Quellen stammt und aus biologischen und mineralischen Partikel besteht, bedeutend höher ist als der opake Anteil, welcher hauptsächlich aus anthropogenen Quellen stammt. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Suhr Staffelegg C Staffelegg A Baden Schupfart Thalheim dp µm transparent dp µm opak Abbildung 7: relative und absolute Anteile der opaken und transparenten Partikel (absolute Anteile in µg/m 3 ) Interessant ist die recht konstante Jahresbelastung der transparenten Partikel über alle Standorte. Einzig die Standorte Baden und Thalheim weichen geringfügig davon ab. Der Standort Baden ist fast als parkartig zu bezeichnen und weist viele Bäume und Gebüsche auf. Zudem liegen die näheren Strassen alle in der Geschwindigkeitszone 30 km/h. Möglicherweise führen diese Umgebungsparameter zu weniger Aufwirbelung und einer zusätzlichen Art Filterwirkung an den Blättern und so PIA Projekt 2013/2014 Seite 11

14 zu einer geringeren Partikelbelastung im Sommer. In Thalheim dürfte die Kuppenlage (erhöhte Windgeschwindigkeit, Wahrnehmung des Wechselpersonals) und der umliegende Ackerbau zu einer Erhöhung der transparenten Partikeln im Frühling bis Sommer geführt haben (Abbildung 6). Mit dem Sigma-2 Passivsammler können nur die groben Partikel quantitativ erfasst werden. Wie die Abbildung 8 jedoch zeigt, besteht eine Korrelation zwischen den opaken Partikeln (d p µm) und feinen Russpartikel (EC im PM2.5). Damit lässt sich die Konzentration des feinen Russanteils aus der Konzentration der opaken Partikel aus der Sigma-2 Messung abschätzen. Für die Quartalsmittelwerte liegt die Modellunsicherheit bei ± 25%, für Jahresmittelwerte bei ± 15%. 1.5 y = 0.63x R² = 0.77 EC PM2.5 [µg/m 3 ] opak PMC [µg/m 3 ] Abbildung 8: Korrelation zwischen opaken Partikeln mit d p µm und der EC PM2.5 Konzentration für alle PIA Standorte in Quartalsauflösung 4.2 Grobstaub (d p µm) Bei den opaken Partikeln im Grössenbereich d p µm ist der Einfluss der Strassennähe sehr gut erkennbar (Abbildung 9). Standorte wie Suhr, Staffelegg C, welche verkehrsdominiert sind, weisen die höchsten Konzentrationen auf. Es ist auch kein ausgeprägter Jahresgang erkennbar, was auf eine konstante Quelle hinweist. Tatsächlich wird diese Grössenklasse in vielen Studien dem Strassen- und Reifenabrieb zugeordnet. Damit wäre das recht konstante Konzentrationsverhalten über das ganze Jahr hinweg erklärbar. Auch die sehr tiefen Konzentrationen am Standort Thalheim, welcher weit von stark befahrenen Strassen entfernt liegt, unterstützt diese Hypothese. Die Partikel dieser Grössenklasse sind zwar bezüglich LRV (PM10) nicht relevant, stellen jedoch ein grosse Verschmutzungspotential auf Gebrauchsgegenständen und Infrastrukturen dar. PIA Projekt 2013/2014 Seite 12

15 opaker Grobstaub d p 10 80µm [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden KW13 KW15 KW17 KW19 KW21 KW23 KW25 KW27 KW29 KW31 KW33 KW35 KW37 KW39 KW41 KW43 KW45 KW47 KW49 KW51 KW01 KW03 KW05 KW07 KW09 KW11 Abbildung 9: zeitlicher Konzentrationsverlauf der opaken Partikel d p µm Bei den transparenten Partikeln sind die Unterschiede zwischen den Messstandorten weniger auffällig (Abbildung 10). Dies hat damit zu tun, dass Pollen und geogene Partikel fast überall und scheinbar in ähnlichem Konzentrationsausmass auftreten. Bei den transparenten Partikeln des Grössenbereiches d p µm ist der Jahresgang sehr ähnlich wie im Grössenbereich d p µm. Die Konzentration liegt um ca. 2 µg/m 3 höher und liegt im Sommerhalbjahr bei den Spitzenwerten etwa um 4 µg/m 3. transparenter Grobstaub d p 10 80µm [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden KW13 KW15 KW17 KW19 KW21 KW23 KW25 KW27 KW29 KW31 KW33 KW35 KW37 KW39 KW41 KW43 KW45 KW47 KW49 KW51 KW01 KW03 KW05 KW07 KW09 KW11 Abbildung 10: zeitlicher Konzentrationsverlauf der transparenten Partikel d p µm PIA Projekt 2013/2014 Seite 13

16 Diese Erhöhung ist auf die mitgemessenen Pollen und Sporen zurückzuführen, welche einen starken saisonalen Gang aufweisen. Die hohen Spitzen am Standort Staffelegg C lassen sich aber nicht alleine durch die biologischen Partikel erklären. Auf diese Problematik wird im Kapitel 5.2 detaillierter eingegangen. Die Abbildung 11 zeigt die Bedeutung des Verkehrs für die opaken Grobstaubpartikel d p µm nochmals auf eindrückliche Art. Die Reihenfolge der absoluten Konzentrationen korreliert gut mit den Standortcharakteristikas bestehend aus Verkehrsmenge, Geschwindigkeitsszenario und Abstand der Messstation zur Strasse. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Suhr Staffelegg C Staffelegg A Baden Schupfart Thalheim dp µm transparent dp µm opak Abbildung 11: relative und absolute Anteile der opaken und transparenten Partikel (absolute Anteile in µg/m 3 ) 4.3 Feinstaub (d p 2.5 µm) Der feine Anteil des Feinstaubes (PM2.5) weist an allen Standorten einen sehr ähnlichen Konzentrationsverlauf auf (Abbildung 12). Einzig im Winterhalbjahr (KW 51-10) weist der höchstgelegene Standort Thalheim (670 m ü.m.) in gewissen Perioden tiefere Konzentrationen auf. Dieser Fall dürfte dann aufgetreten sein, wenn dieser Messstandort oberhalb der bodennahen Grenzschicht lag. 6 5 PM2.5 [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden KW13 KW16 KW19 KW22 KW25 KW28 KW31 KW34 KW37 KW40 KW43 KW46 KW49 KW52 KW3 KW6 KW9 KW12 Abbildung 12: PM2.5 Verlauf ohne Feuchtigkeitsereignisse in Thalheim PIA Projekt 2013/2014 Seite 14

17 Einzelne Abweichungen sind vor allem im Herbst und Frühling beobachtbar, wenn sehr feuchte Bedingungen (kondensierender Nebel) vorhanden waren. Davon betroffen war insbesondere der Standort Thalheim, wo die Feuchtigkeit auf dem Filter kondensierte und ein gelblich-bräunliches Fleckenmuster hinterliess. Diese Filter wiesen alle eine stark erhöhte PM2.5 und OC Konzentration auf. Es ist davon auszugehen, dass der feuchte Quarzfilter in diesem Fall nicht nur Partikel, sondern auch gasförmige Komponenten zurückhielt. Verkehrsnahe im Siedlungsgebiet liegende Standorte wie Suhr, Staffelegg C und Schupfart weisen die höchsten Konzentrationen auf. Alle anderen Standorte liegen auf einem identischen Konzentrationsniveau (Abbildung 13). PM2.5 [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg C Schupfart Staffelegg A Baden Thalheim Abbildung 13: PM2.5 Jahresmittelwert (KW13/2013 KW12/2014) Da die PM2.5 Konzentration zu einem grossen Teil sekundärer Natur ist, ist dies auch nicht weiter erstaunlich. Die gasförmigen Vorläufer vermischen sich nach ihrer Emission weiträumig und die daraus entstehenden sekundären Partikel bilden eine recht homogene Hintergrundbelastung aus Sulfaten, Nitraten, Ammoniumsalzen und organischem Material etc. Bemerkenswert ist, dass die PM2.5 Konzentration in Thalheim 13.5 µg/m 3 erreicht. Wenn die PM2.5 Konzentration in Thalheim als regionaler Hintergrund angenommen wird, würde die lokal erzeugte PM2.5 Konzentration in Suhr, als verkehrsbelasteter Standort nur ca. 30% ausmachen. Die PM2.5 Belastungen korrelieren gut mit der Verkehrsexposition der Messstandorte. Der von der EKL vorgeschlagene PM2.5 Grenzwert von 10 µg/m 3 wird an allen Standorten überschritten. Bei der Konzentration an elementarem Kohlenstoff (EC) ist die Belastung durch den Verkehr deutlich zu erkennen (Abbildung 14). Suhr als verkehrsnaher und stark befahrener Standort weist die höchste EC Konzentration auf. Im Gegensatz zu allen anderen Standorten ist am Standort Thalheim kein ausgeprägter Jahresgang sichtbar. Dies stützt die Annahme, dass Thalheim vor allem die Hintergrundsituation repräsentiert. PIA Projekt 2013/2014 Seite 15

18 3.0 EC PM2.5 [µg/m 3 ] KW13 KW16 KW19 KW22 KW25 KW28 KW31 KW34 KW37 KW40 KW43 KW46 KW49 KW52 KW03 KW06 KW09 KW12 Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden Abbildung 14: EC Jahresverlauf in Wochenauflösung für alle PIA Standorte OC PM2.5 [µg/m 3 ] KW13 KW16 KW19 KW22 KW25 KW28 KW31 KW34 KW37 KW40 KW43 KW46 KW49 KW52 KW03 KW06 KW09 KW12 Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden Abbildung 15: OC Jahresverlauf in Wochenauflösung für alle PIA Standorte ohne Ereignisse Dieselbe zeitliche Auflösung für OC in Abbildung 15 zeigt einen unruhigeren Jahresverlauf mit vielen Maxima. Die zeitlich verschobenen Peaks in KW18 bis 19 und das unterbrochene Maximum zwischen KW24 und KW32 werden durch hohe VOC Werte (Desorption bei der TOT Methode unterhalb 300 C) verursacht. Da diese Konzentrationsanstiege an allen Standorten gleichzeitig auftreten sind anthropogene Emissionen eher unwahrscheinlich. Wahrscheinlicher sind VOC- Vegetationsemissionen, welche über photochemische Reaktionen in partikuläres organisches Material (OM) umgewandelt werden dafür verantwortlich. Die Abbildung 16 zeigt, dass es einen Zusammenhang zwischen Temperatur, Ozonkonzentration und den OC-Immissionen während der Vegetationsphase gibt. PIA Projekt 2013/2014 Seite 16

19 KW14 KW16 KW18 KW20 KW22 KW24 KW26 [µg/m 3 ] KW28 [ C] KW30 KW32 KW34 KW36 KW38 O3/20 OC Sp<300 C T Abbildung 16: Verlauf der Ozonkonzentration (Mittelwert Baden und Sisseln), der Temperatur (Buchs, Meteoschweiz) und der OC Konzentration (Staffelegg A) in Wochenauflösung Die Übersicht in Abbildung 17 zeigt, dass die meisten PM2.5 Inhaltstoffe zwischen den Standorten wenig variabel sind. EC und OC verhält sich im Gegensatz zu den anorganischen Komponenten deutlich standortspezifischer. Die wasserlöslichen Kationenkonzentrationen (Ca, Na und Mg) liegen im Bereich der Nachweisgrenze. Die Kaliumkonzentration ist im Winterhalbjahr erhöht, liegt in der Regel jedoch unter 1 µg/m 3. Der gleichförmige Jahresverlauf der einzelnen Komponenten zeigt, dass die meisten Konzentrationsschwankungen wetterbedingt sind. NO 3 PM2.5 [µg/m 3 ] April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Januar Februar März Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden Die leichte Konzentrationserhöhung am Standort Thalheim im Oktober könnte auf die feuchten Filter zurückzuführen sein. Die grössere Variabilität unter den Standorten im Januar könnte auf die unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen hindeuten. SO 4 PM2.5 [µg/m 3 ] April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Januar Februar März Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden Die erhöhte Sulfatkonzentration im Juli am Standort Staffelegg C ist auf den 1. August zurückzuführen. Die tieferen Konzentrationen am Standort Staffelegg A und Thalheim könnten durch ihre erhöhte Lage und weniger Inversionseinfluss und zum Teil kondensierenden Verhältnissen (an der Grenzschicht liegend) bedingt sein. PIA Projekt 2013/2014 Seite 17

20 Cl PM2.5 [µg/m 3 ] April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Januar Februar März Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden Die erhöhte Chloridkonzentration im Juli am Standort Staffelegg C ist auf den 1. August zurückzuführen. NH 4 + PM2.5 [µg/m 3 ] April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Januar Februar März Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden Die Ammoniumbelastung ist über das ganze Messgebiet sehr homogen. Die Abweichungen an den Standorten Staffelegg A und Thalheim in den Wintermonaten sind sehr wahrscheinlich auf die Höhenlage der Standorte zurückzuführen. Diese lagen oft in der Grenzschicht, wo der Nebel sehr dicht war, Dies führt dazu, dass die gut wasserlöslichen Gase und Partikel frühzeitig aus der Atmosphäre eliminiert werden. EC PM2.5 [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Die EC Konzentrationen sind standortspezifisch und widerspiegeln die Bevölkerungsdichte und das Verkehrsaufkommen. Der Jahresverlauf unterscheidet sich wesentlich von den anderen PM2.5 Komponenten und zeigt an allen Standorten einen typischen NO 2 Jahresgang mit einem Maximum im Winter und einem Minimum im Sommer. April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Januar Februar März Baden OC PM2.5 [µg/m 3 ] April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Januar Februar März Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden Die stark erhöhte Konzentration im Juli am Standort Staffelegg C ist auf den 1. August zurückzuführen (Grillieren, Feuerwerk). Die erhöhten Werte in Thalheim in den Monaten September, November und Dezember sind auf feuchte Filter einzelner Wochen zurückzuführen (gelb-braune Spuren auf den Filteroberflächen). Dies ist ein Probenahme / Witterungsartefakt. PIA Projekt 2013/2014 Seite 18

21 K wasserlöslich [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg A Staffelegg C Thalheim Schupfart Baden Der Anteil des wasserlöslichen Kaliums im PM2.5 ist ein Tracer für die Holzfeuerungsaktivitäten. Dies ist auch im ausgeprägten Jahresgang gut zu erkennen. Der milde Winter 2014 (KW 10-13) weist tiefere Kaliumkonzentrationen aus als eine Inversionslage während der KW KW 2013 / 2014 Abbildung 17: Jahresverlauf verschiedener PM2.5 Komponenten in Monatsauflösung; Kalium wurde nur stichprobenmässig gemessen 4.4 Ereignisse 1. August am Standort Staffelegg C und Thalheim In der KW30 wurden an den Standorten Staffelegg C und Thalheim, welche 2.5 km Luftlinie auseinander liegen erhöhte Konzentrationen an Sulfat, Chlorid und organischem Kohlenstoff (OC) im PM2.5 gefunden (Abbildung 18). Der Befund erhöhter Sulfat- und Chlorid Belastung deutet darauf hin, dass es sich dabei um Feuerwerksimmissionen handeln könnte. Falls es sich um lokale Feuerwerksimmissionen handeln würde, müssten im Grobstaub der Sigma-2 Probenahme auch Schwermetalle zu finden sein (entsprechende Daten liegen für den Standort Suhr aus dem Jahr 2010 vor). Deshalb wurde die Sigma-2 Probe unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Interessanterweise war der Befund auf Schwermetalle negativ. Auch die sehr hohe OC Belastung ist nicht alleine auf Feuerwerkimmissionen zurückzuführen Staffelegg C [µg/m 3 ] Ammonium Chorid Nitrat Sulfat Thalheim [µg/m 3 ] Ammonium Chorid Nitrat Sulfat Woche vorher 1. August Woche Woche danach Woche vorher 1. August Woche Woche danach WD_10m WV_hs_10m h 0 h 4.00 h 6.00 h 0 Abbildung 18: Einfluss des 1. August auf ausgewählte PM2.5 Komponenten, Windverhältnisse im Aaretal (Buchs, AG) PIA Projekt 2013/2014 Seite 19

22 Wahrscheinlich handelt es sich bei der auffälligen Immission um eine Kombination aus lokalen Grillieraktivitäten (OC) und einer Wolke aus Feuerwerksemissionen aus der Explosionspunktzone. Dies würde erklären, warum man keine Schwermetalle findet jedoch aber Chlorid und Sulfatanteile (die schwereren Metallpartikel sedimentieren lokal, die sekundär gebildeten Partikel werden weiter transportiert). Die feinen Partikel vom Explosionspunkt könnten vom dichter besiedelten Aaretal stammen und horizontal ins höher gelegen Küttigen transportiert worden sein. Die Meteodaten von der Meteoschweiz Messstation Buchs zeigen, dass bis ca. Mitternacht eine Südströmung mit nachfolgender Westströmung vorhanden war. Da Thalheim zur selben Zeit auch einen Sulfat- und einen kleinen Chloridanstieg verzeichnete, könnte dies bedeuten, dass diese Wolke oder Teile davon über Küttigen zuerst nach Norden und dann nach Osten transportiert wurden. Damit liesse sich die Konzentrationserhöhung an Sulfat und Chlorid am Standort Thalheim über die Windverfrachtung erklären. Die erhöhten Immissionen am Standort Thalheim könnten aber zum Teil oder vollständig auch lokaler Natur sein (1. Augustaktivitäten auf dem nahen Parkplatz). Die Konzentration des organischen Kohlenstoffes im PM2.5 stieg in der Woche des 1. August am Standort Staffelegg C von 4.5 auf 57 µg/m 3 und am Standort Thalheim von 5 auf 21 µg/m 3. Bezogen auf ein 8-h Ereignis würde dies auf OC-Kurzzeitspitzen von µg/m 3 resp. 340 µg/m 3 hindeuten. 4.5 Grössenabhängige Zusammensetzung des Staubes Die Zusammensetzung des Staubes variiert standortspezifisch. Je näher der Messstandort an einer Strasse liegt, desto höher ist die Konzentration in allen Grössenfraktionen. Die Unterschiede zwischen einem strassennahen und einem strassenfernen Standort sind in Tabelle 4 ersichtlich. Grössenfraktion Strassennah (Suhr) µg/m 3 Strassenfern (Thalheim) µg/m 3 Differenz µg/m 3 d p <2.5 µm Opak, d p µm Transparent, d p µm Opak, d p µm Transparent, d p µm Tabelle 4: Konzentrationsunterschiede in den verschiedenen Grössenfraktionen zwischen verkehrs- und nicht verkehrsbelastetem Standort Bei den Grobstaubgrössenfraktionen d p µm und d p µm ist zu beachten, dass auch andere Quellen als der Verkehr z.b. Landwirtschaft, Winderosion etc. die Konzentration beeinflussen können, welche an einem Verkehrsstandort nicht oder weniger intensiv vorhanden sind PM2.5 6 dp µm 4 2 dp µm 0 [µg/m 3 ] Suhr Staffelegg A Staffelegg C Abbildung 19: Grössenabhängige Zusammensetzung des Staubes Schupfart Thalheim Baden PIA Projekt 2013/2014 Seite 20

23 Die Abbildung 19 zeigt auch auf, dass beim PM2.5 das grösste Potential für Massnahmen steckt. Eine Senkung des PM2.5 hat durch die räumlich ausgeprägte Homogenität den Vorteil, dass damit eine flächendeckende Senkung verbunden ist. Der Verlauf der verschiedenen Standorte in Abbildung 20 zeigt, dass eine enge Verlaufs- und Konzentrationsverwandtschaft zwischen allen Standorten existiert. Die Spitzenkonzentrationen treten an allen Standorten gleichzeitig auf. Dies zeigt auf, wie homogen PM2.5 über das Beobachtungsgebiet verteilt ist. [µg/m 3 ] KW13 KW17 KW21 KW25 KW29 KW33 KW37 KW41 KW45 KW49 KW1 KW5 KW9 [µg/m 3 ] KW13 KW17 KW21 KW25 KW29 KW33 KW37 KW41 KW45 KW49 KW1 KW5 KW9 Suhr PM2.5 Suhr dp µm Suhr dp µm Staffelegg A PM2.5 Staffelegg A dp µm Staffelegg A dp µm [µg/m 3 ] KW13 KW17 KW21 KW25 KW29 KW33 KW37 KW41 KW45 KW49 KW1 KW5 KW9 Staffelegg C PM2.5 Staffelegg C dp µm Staffelegg C dp µm [µg/m 3 ] KW13 KW17 KW21 KW25 KW29 KW33 KW37 KW41 KW45 KW49 KW1 KW5 KW9 Thalheim PM2.5 Thalheim dp µm Thalheim dp µm [µg/m 3 ] KW13 KW17 KW21 KW25 KW29 KW33 KW37 KW41 KW45 KW49 KW1 KW5 KW9 Schupfart PM2.5 Schupfart dp µm Schupfart dp µm [µg/m 3 ] KW13 KW17 KW21 KW25 KW29 KW33 KW37 KW41 KW45 KW49 KW1 KW5 KW9 Baden PM2.5 Baden dp µm Baden dp µm Abbildung 20: PM2.5 Jahresverlauf an den PIA Standorten PIA Projekt 2013/2014 Seite 21

24 5. Methodenvergleiche und neue Techniken 5.1 Eignung des Sigma-2 als orientierende PM10 Messung Die Daten des Sigma-2 Passivsammlers lassen sich nicht direkt in PM10 umrechnen. Der Grund dafür liegt bei der PM2.5 Konzentration, welche je nach atmosphärischen Bedingungen zeitlich stark schwanken kann. Die räumlichen Schwankungen des PM2.5 sind jedoch sehr gering und treten je nach Wetterlage im Winterhalbjahr in Abhängigkeit der Höhe über Meer auf. Sigma 2 Modell [µg/m 3 ] y = 1.01x R² = 0.89 Sigma 2 Modell [µg/m 3 ] y = 0.93x + 0 R² = Baden, TEOM FDMS [µg/m 3 ] Suhr, TEOM FDMS [µg/m 3 Sigma 2 Modell [µg/m 3 ] y = 1.02x R² = 0.93 Sigma 2 Modell [µg/m 3 ] y = 1.08x R² = Sisseln, TEOM FDMS [µg/m 3 ] Suhr, Digitel HVS [µg/m 3 ] Abbildung 21: Gegenüberstellung der modellierten PM10 Konzentration zum gemessenen PM10 Wert in Wochenauflösung, Daten KW13/2013-KW12/2014 Die Berechnung der PM10 Konzentration kann deshalb aus dem Coarse Mode (PM10-2.5) und der PM2.5 Konzentration erfolgen. Die PM2.5 Konzentration kann entweder am selben Messstandort gemessen werden, oder als Mittelwert von weiter entfernten Messstationen auf ungefähr gleicher Höhe über Meer eingesetzt werden. Die Berechnung des PM10 erfolgt dabei nach folgender Formel: PIA Projekt 2013/2014 Seite 22

25 c PM10 = c PM c PM2.5 Dabei gilt: c PM aus den Sigma-2 Daten berechneter aerodynamischer Coarse Mode Für die Berechnungen der Werte der Abbildung 21 wurde der PM2.5 Mittelwert der PIA Messstationen ohne Thalheim verwendet. Die Resultate bestätigen die Vergleichsmessungen von Baden und Sisseln aus dem Sigma-2 Pilotprojekt 2011/ Eignung des Sigma-2 für die chemische Partikelcharakterisierung der Grössenfraktionen zwischen d p. 2.5 und 80 µm Basierend auf den Resultaten der optischen Mikroskopie wurden vereinzelt auch Proben chemisch mit dem Rasterelektronenmikroskop gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (REM- EDS) analysiert. Die Sigma-2 Haftoberfläche, eine mit Klebstoff beschichtete Kunststofffolie, eignet sich nur beschränkt für eine chemische Partikelcharakterisierung mittels REM-EDS. Die Gründe dafür sind: a) Die Partikel können in der dicken Kleberschicht versinken und dann zu wenig Kontrast aufweisen b) Die Folie kann sich unter dem Elektronenstrahl verziehen und somit zu Partikelartefakten und Fehlmessungen führen Um diese Probleme zumindest teilweise zu umgehen, kamen zusätzlich handelsübliche REMtaugliche Klebesubstrate zum Einsatz. Obwohl auch bei diesen besonders die grösseren Partikel dazu tendieren in der Kleberschicht zu versinken, sind diese Substrate deutlich stabiler unter dem Elektronenstrahl. In der Folge werden die Resultate von einigen ausgewählten Proben aufgezeigt. Dabei wurden einzelne Partikel je nach Fragestellung manuell oder automatisiert analysiert und nach folgenden Kriterien klassiert, wobei zu beachten ist, dass aufgrund des kohlen- und sauerstoffhaltigen Substrates diese beiden Elemente nicht in die Klassierung miteinbezogen wurden und die restlichen Elemente auf 100% normiert wurden (Tabelle 5). Klasse Kriterien in wt% Klasse Kriterien in wt% Quarz: Si > 80 % Kalzium: Ca > 50%; S < 15% Ca-Silikate: 20% < Si < 80%; Ca > 15% Gips: S > 15%; Ca > 15% Andere Silikate: 20% < Si < 80%; Ca < 15% Schwefel: S > 15%; Ca < 15% Eisen: Fe > 50% Rest Mischpartikel Tabelle 5: Klassen für die chemische Partikelklassierung Am Standort Staffelegg C sind auffällig hohe opake Partikelkonzentrationen vorhanden, welche zum Teil über denjenigen des Standortes Suhr liegen (siehe Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Es stellt sich die Frage, um welche Art von Partikeln es sich dabei handelt und aus welcher Quelle diese stammen. PIA Projekt 2013/2014 Seite 23

26 100 µm Abbildung 22: lichtmikroskopisches Bild des Standortes Staffelegg C, KW9/2013 Auf Grund dieser Fragestellung wurden die Partikel unter dem REM-EDS morpho-chemisch analysiert. 1) Quarz-Klasse 2) Ca-Silikat-Klasse 3) Eisen-Klasse 4) Klasse der anderen Silikate 5) Kalzium-Klasse 6) Quarz-Klasse 7) Eisen-Klasse 8) Kalzium-Klasse 9) Ca-Silikat-Klasse 10) Ca-Silikat-Klasse 11) Ca-Silikat-Klasse 12) Ca-Silikat-Klasse 13) Ca-Silikat-Klasse 14) Kalzium-Klasse 15) Ca-Silikat-Klasse 16) Quarz-Klasse 17) Eisen-Klasse 18) Eisen-Klasse 19) Ca-Silikat-Klasse 20) Quarz-Klasse 21) Ca-Silikat-Klasse 22) Schwefel-Klasse 23) Ca-Silikat-Klasse 24) Ca-Silikat-Klasse 25) Ca-Silikat-Klasse 26) Ca-Silikat-Klasse 27) Ca-Silikat-Klasse 28) Ca-Silikat-Klasse 29) Ca-Silikat-Klasse 30) Ca-Silikat-Klasse 31) Ca-Silikat-Klasse 32) Kalzium-Klasse 33) Ca-Silikat-Klasse 34) Ca-Silikat-Klasse 35) Kalzium-Klasse 36) Ca-Silikat-Klasse 37) Ca-Silikat-Klasse 38) Eisen-Klasse 39) Ca-Silikat-Klasse 40) Ca-Silikat-Klasse Abbildung 23: REM-EDS Analyse der Probe Staffelegg C, KW9/2013 Bei den Partikeln der Ca-Silikat-Klasse handelt es sich oft um Mischpartikel aus mineralischen Partikeln teilweise in einer kohlenstoffhaltigen Matrix. Diese Partikel enthalten meist noch Fe, Na, S, Al, und weitere Elemente und weisen deshalb auf Strassenabriebpartikel hin. Ein morphologischer Vergleich zwischen Partikeln vom Standort Suhr (Winterprobe) und Staffelegg C (Winter und Sommer- PIA Projekt 2013/2014 Seite 24

27 probe) zeigte auf, dass es sich bei den Partikeln der Ca-Silikat-Klasse um sehr ähnlich aussehende Partikel handelt. (Abbildung 24) Staffelegg C, KW9/2013 Staffelegg C, KW25/2013 Suhr, KW9/2013 Abbildung 24: REM Bilder verschiedener verkehrsdominierter Proben der Standorte Staffelegg C und Suhr In den Kalenderwochen 49 (2013) und 10 (2014) traten jeweils eine Winter- und eine Frühlingsinversionslage auf. Um diese Inversionslagen etwas umfänglicher zu charakterisieren, wurden jeweils von jeder Kalenderwoche die zwei Proben vom Standort Suhr und Schupfart morpho-chemisch analysiert. Es zeigte sich, dass die Partikelzusammensetzung in der Kalenderwoche 49 (2013) der beiden Standorte für Partikel μm unterschiedlich sind. Die Probe aus Suhr enthielt deutlich höhere relative Anteile von Partikeln der Schwefel-Klasse. Dabei handelte es sich vor allem um Natriumsulfat. Vergleicht man die beiden Proben aus Suhr von den beiden Inversionslagen, so hat man diesen erhöhten Anteil an Natriumsulfat jedoch nur in der Kalenderwoche 49 (2013) aber nicht in der Kalenderwoche 10 (2014). Somit könnten diese Natriumsulfatpartikel typisch für eine Winterinversionslage sein. Auch der Vergleich der beiden Proben der Frühlingsinversionslage zeigt Unterschiede auf. Die Restklasse (Andere) ist in Schupfart deutlich erhöht, wobei es sich dabei teilweise um Partikel handelt, welche Mg, K, Na und P enthalten (Abbildung 25). Abbildung 25: Relative Anteile der chemischen Partikelklassen der Inversionsproben der Standorte Suhr und Schupfart PIA Projekt 2013/2014 Seite 25

28 5.3 Morpho-chemische Partikelbestimmung ab Ordnungszahl 6 Am Standort Staffelegg C wurden parallel zu den DWD Haftoberflächen auch Goldhaftoberflächen eingesetzt. Mit der Goldoberfläche lassen sich alle Elemente ab Kohlenstoff quantitativ bestimmen. Damit lassen sich auch Partikel aus leichten Elementen morpo-chemisch bestimmen. Damit die Partikel wie bei den anderen Haftoberflächen beim Transport nicht verloren gingen, wurden die Goldoberflächen mit einem Kleber beschichtet. Da dieser aber viel dünner aufgetragen wurde, als bei den herkömmlichen Substraten, haben diese Substrate zudem den Vorteil, dass die Partikel nicht im Kleber einsinken können (Abbildung 26). Abbildung 26: links) Reifenabriebpartikel auf dem Goldsubstrat; rechts) Reifenabriebpartikel auf einem herkömmlichen Substrat, welches eindeutig im Kleber eingesunken ist. Die Probe vom des Standortes Staffelegg C wurde mittels automatischer Einzelpartikelanalyse mit dem REM analysiert und die Partikel chemisch klassiert. Diese Klassierung basiert auf den Gewichtsprozenten (wt%) der einzelnen Elementen. Da auch bei dieser Analyse der Klasse Klassierungskriterien in wt% Konzentration in µg/m 3 ( µm) Konzentration in µg/m 3 ( µm) Quarz Si+O > 77 %; C < 20 % Ca-Silikate Si > 10 %; Ca > 10 %; C < 30 % Andere Silikate Si+O < 77 %; C < 30 % Si > 10 %; Ca < 10 %; Eisen Fe > 30 %; C < 30 % 1 1 Kalzium Ca > 15 %; Si < 10 %; S < 11 %; C < 30 % Gips S > 11 %; Ca > 12 %; C < 30 % 7 7 Schwefel S > 10 %; Ca < 12 %; C < 30 % 1 3 Kohlenstoff C > 30 % Rest Andere Partikel Total Tabelle 6: morpho-chemische Klassierung der Goldsubstratprobe vom vom Standort Staffelegg C geometrische Durchmesser ermittelt wird, können nach VDI 2119:2013 grössenklassierte Massenkonzentrationen für die einzelnen Klassen ermittelt werden. Eine Resultate über die einzelnen Klassen und deren Klassierungskriterien, sowie den ermittelten Massenkonzentrationen für die Grössenfraktionen µm und µm sind in Tabelle 6 aufgeführt. PIA Projekt 2013/2014 Seite 26

29 Betrachtet man die relativen Anteile der REM-EDS Analytik, so machen die Partikel der Kohlenstoffklasse etwa 50% der Masse in der Grössenfraktion µm aus. Die andere Hälfte besteht hauptsächlich aus Partikel der silizium- und kalziumdominierten Klassen. Für die Grössenfraktion µm sieht dies grundsätzlich ähnlich aus, wobei die Partikel der silizium- und kalziumdominierten Klasse einen leicht höheren Anteil aufweisen und jener der Kohlenstoffklasse etwas tiefer ausfällt. Dafür ist die Restklasse erhöht (Abbildung 27) µm Quarz: Ca Silikate: Andere Silikate: Eisen: Kalzium: Gips: Schwefel: Rest: Kohlenstoff μm Quarz: Ca Silikate: Andere Silikate: Eisen: Kalzium: Gips: Schwefel: Rest: Kohlenstoff Abbildung 27: Vergleich der chemische Zusammensetzung der Grössenklasse d p µm und d p µm Die für dieses Projekt speziell hergestellten Goldsubstrate zeigen, dass damit auch die Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff quantifiziert werden können und dadurch der Grobstaub vollständiger charakterisiert werden kann. Der Klebestoff kann homogen so dünn aufgebracht werden, dass er die REM-EDS Analytik nicht stört und trotzdem genügend Adhäsion zur Fixierung der Partikel auf der Goldoberfläche mit sich bringt. Dies erlaubt in Zukunft die Partikel mittels REM-EDS vollständig chemisch zu charakterisieren. Ein Vergleich zwischen den REM-EDS und den lichtmikroskopischen Massenkonzentrationen zeigt, dass die REM-EDS Analytik die Massenkonzentration der kleinen Partikel (d p µm) etwas unterschätzt. Dies hängt mit grosser Wahrscheinlich mit der Stabilität von flüchtigen Stoffen / Partikeln unter dem Hochvakuum und dem Elektronenstrahl, welcher zu einer partiellen Erwärmung führt, zusammen. Details zu diesem Effekt konnten im Rahmen des vorliegenden Projektes nicht untersucht werden. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass ein solcher Verlust korrigiert werden kann. PIA Projekt 2013/2014 Seite 27

30 5.4 Eignung von Sigma-2 und VS-C Minivolume-Sampler für eine quellenspezifische Erfolgskontrolle Durch die grössenselektive Probenahme können die Partikel aus Verbrennungsvorgängen weitgehend von solchen aus mechanischer Erzeugung getrennt werden, auch wenn sie sich chemisch nicht wesentlich voneinander unterscheiden. Ein Beispiel dafür ist die Differenzierung zwischen Kohlenstoff aus motorischem Russ und dem Russ in Reifenabriebpartikeln. Beide Quellen emittieren elementaren Kohlenstoff, die Partikel unterscheiden sich aber im Partikeldurchmesser. Eine Differenzierung ist wichtig für die Überprüfung der Wirksamkeit der Euro VI Norm. Durch die zunehmende Anzahl Euro VI Fahrzeuge sollte sich der motorische Russanteil vermindern. Da Reifen jedoch bis zu 30% Carbon Black enthalten und die Fahrkilometer in Zukunft weiter zunehmen werden, ist ein zunehmender Anteil Russ aus dieser Quelle zu erwarten. Falls der Russ aus den zwei Quellen nicht differenziert wird, kann die Veränderung durch die emissionsärmeren Euro VI Fahrzeuge nicht gesichert nachgewiesen werden. Anhand eines Transsektes oder eines Höhenprofils mit Sigma-2 Passivsammlern lässt sich auch die Ausbreitung (Transportdistanz) der groben Partikel ermitteln (Abbildung 28). opak [µg/m 3 ] 4 2 Strassenrand Bordkante opak [µg/m 3 ] 4 2 Strassenrand Küttigen Dorf d p [µm] d p [µm] Abbildung 28: Abriebpartikelmessung auf verschiedenen Höhen (Standort Staffelegg A) linkes Bild, Abriebpartikelmessung an zwei Strassenrändern (Staffelegg A und Staffelegg C), rechtes Bild Im Staffeleggprojekt 2013 wurde eine Probenahme Kombination aus Sigma-2 und VS-C Minivolume-Sampler zur Differenzierung von Verkehrs- und Siedlungspartikeln eingesetzt. Mehr Informationen dazu sind im Bericht der Abteilung für Tiefbau des Kantons Aargau vorhanden. Der Bericht kann über die Sektion Luft und Lärm bei Herrn Markus Schenk bezogen werden. 5.5 Eignung des Minivolume-Samplers für die PM10 Bestimmung nach EN Am Immissionsmessstandort Suhr wurde ein Vergleich der PM10 Massenkonzentration zwischen dem Digitel High Volume Sampler und dem Leckel Minivolume -Sampler durchgeführt. Bei beiden Probenahmeverfahren wurden Pall Quarzfaserfilter verwendet. Diese wurden unter identischen Bedingungen konditioniert und gravimetrisch bestimmt. Der Minivolume-Sampler zeigt bei allen Proben eine höhere Massenkonzentration. (Abbildung 29) Es gibt verschiedene Gründe, welche zu einem solchen Verhalten führen können. PIA Projekt 2013/2014 Seite 28

31 a) Ungenaue Impaktordimensionierung, welche zu einem Cut-off über 10 µm führen könnte und so zu einer höheren Massenkonzentrationen neigen würde b) Weniger hohe Desorption von flüchtigen Komponenten durch die sanfteren Bedingungen (Druckverlust, Reibungswärme etc.) auf der Filteroberfläche durch den geringeren Durchfluss Aufgrund der anfänglich bis zu 30% zu hohen Einzelwerte gegenüber dem High Volume Sampler, wurde der PM10 Impaktor des Minivolume-Samplers modifiziert. Da der Düsendurchmesser nicht verkleinert werden konnte, wurde der Abstand zwischen Düsenauslass und Prallplatte durch eine Edelstahlscheibe von 0.8 mm Dicke verringert. Diese Modifikation erbrachte eine Erhöhung der im Impaktor abgeschiedenen Grobstaubpartikel. Mit dieser Modifikation weist der Minivolume-Sampler eine mittlere Abweichung von +6 % Mehrbefund gegenüber dem High Volume Sampler auf. Dieses Resultat korrespondiert gut mit einem vom DWD durchgeführten Versuch für PM2.5 und einem Mehrbefund von 7%. Leckel VS C [µg/m 3 ] y = 1.28x 0.4 R² = 0.91 n = 18 Leckel VS C [µg/m 3 ] y = 1.03x R² = 0.97 n = Digitel HVS [µg/m 3 ] Digitel HVS [µg/m 3 ] Vergleichsdaten zwischen KW39/2013 KW7/2014 ohne Impaktor Modifikation Vergleichsdaten zwischen KW8 KW36/2014 mit modifiziertem Impaktor Abbildung 29: PM10 Massenkonzentrationsvergleich zwischen Minivolume-Sampler und High Volume Sampler; Wochenmittelwerte 5.6 Vergleichbarkeit der EC Bestimmung mittels Sootscan und TOT Methode Auf den PM2.5 Quarzfiltern wurden vor der EC/OC Bestimmung mittels TOT Methode mit einer rein optischen Methode der Black Carbon Gehalt (BC) bestimmt. Auch die EMPA führt solche Messungen auf PM10 Filtern, welche mit dem High Volume Sampler beprobt wurden durch. Die optische Methode (Sootscan) hat den Nachteil, dass Filter mit starker Belegung nicht messbar sind, was bei High Volume Sampler Filtern öfter vorkommt. Deshalb wären Filter mit einer tieferen Beladung idealer für die BC Bestimmung mittels Sootscan. Die Abbildung 30 zeigt die Resultate der PIA Standorte im Vergleich zu der EC Bestimmung mittels TOT Methode. PIA Projekt 2013/2014 Seite 29