Kontinuierliche Messung von Partikelgrößenverteilungen The GRIMM (wide range) Wide am Hohenpeißenberg Range System (# 565) Markus Pesch Technical Features and Applications GRIMM AEROSOL Particle Measurement Systems Grimm Aerosol Technik GmbH & Co. KG Dorfstr. 9 D-83404 Ainring Germany www.grimm-aerosol.com Info@grimm-aerosol.com Tel.: +49 (0)8654 578 0 Fax.: +49 (0)8654 578 35 1
Überblick Motivation GRIMM Aerosol Technik GmbH Partikelmesstechniken Wide Range Messsystem Installation am Hohenpeissenberg Messergebnisse Low cost wide range (NanoCheck) 2
Motivation 3
Was sind Aerosole? Aerosole sind feste oder flüssige Partikel die aufgrund ihrer kleinen Größe (1 nm bis 100 µm) in der Luft schweben und in der Atmosphäre über weite Strecken (bis über 1000 km) transportiert werden können. Primäre Aerosole Aerosole Werden direkt in die Luft freigesetzt (z.b. Rußpartikel aus KFZ-Abgasen) Sekundäre Aerosole entstehen aus gasförmigen Vorläufersubstanzen durch Gas - zu Partikel-Umwandlung 4
Aerosole Das atmosphärische Aerosol umfasst einen sehr weiten Größenbereich von 5 Dekaden. 1 nm dp 100 µm Die Aerosole können in Abhängigkeit ihrer Größe klassiert werden: TSP: total suspended particles, Massenfraktion von Partikeln mit einem aerodynamischen Durchmesser ca.100 µm. PM10: particulate matter, Massenfraktion von Partikeln, mit einem aerodynamischen Durchmesser 10 µm. Nanopartikel: Partikel < 100 nm (klassifiziert, meist nach ihrem elektrischen Mobilitätsdurchmesser) 5
Aerosolquellen Pollen, gasförmige Vorläufer Natürliche Quellen Vulkane Bodenerosionen Seesalz Verbrennung von Biomasse Pollen, Sporen Etna, Sicilia, 2002 gasförmige Vorläufersubstanzen (VOC) Verbrennung von Biomasse Seesalz Sandsturm, Bodenerosionen Heizung Anthropogene Quellen KFZ-Verkehr Kraftwerke und Heizung Industrie Landwirtschaft Haushalte Bautätigkeit Landwirtschaft Biomass burning, Italy Autoabgase 6
Gefahren durch Partikel werden verursacht durch: Partikelgröße, -Oberfläche Partikelkonzentration Chemische Zusammensetzung der Partikel Y adsorbierte Substanzen (z.b. PAH) Y 7
Staubpartikel in der Atmosphäre Quelle: TU-Darmstadt, FG Umweltmineralogie 8
Grimm Aerosol Technik 9
Optische Partikelzähler von GRIMM 11
Grimm Aerosol Technik Das Unternehmen Grimm Aerosol Technik GmbH wurde von Herrn Hans Grimm vor etwa 25 Jahren gegründet und entwickelt, produziert und verkauft weltweit Technik zur Bestimmung und Erzeugung von Aerosolen. Das Unternehmen hat seinen Hauptstandort in Ainring und einen weiteren Standort in Pouch (bei Leipzig). 10
Feinstaubmessgerät EDM180 Aerosol Spektrometer Messungen von Partikelgrößen in 31 Kanälen Gleichzeitige Bestimmung vom PM10, PM2,5 und PM1 12
Messprinzip des optischen Partikelzählers 13
Messprinzip des optischen Partikelzählers 14
Messprinzip eines Nephelometers 15
Messprinzip GRIMM-Spektrometer Im Gegensatz zum Nephelometer befindet sich immer nur ein Partikel im optischen Volumen. Jeder Partikel wird nur einmal detektiert (Fokussierung durch Spülluft). Aus der Zahl der Streusignale/Zeit und dem Volumenstrom wird die Partikelanzahl ermittelt. Aus der Höhe der Signale wird die Partikelgröße bestimmt. Die Partikel werden in 31 Größen klassiert. Aus dem mittleren Durchmesser der Größenklasse und der Anzahl der Partikel wird das Partikelvolumen berechnet. Jeder der 31 Größenklassen wird eine bestimmte Dichte zugeordnet und diese mit dem Partikelvolumen multipliziert. Das ergibt die Partikelmasse. Die Partikeldichten der 31 Größenklassen wurden durch zahlreiche Vergleiche mit Referenzsystemen (Gravimetrie) für PM10 und PM2,5 bestimmt. 16
GRIMM-Systeme für Nanopartikel Generatoren SMPS-Technologie Partikelsammlung 17
Laminator Sheath Air Messprinzip für Nano Partikel Neutralizer Aerosol Sample Impactor AM241 Outer Cylinder Central Rod e - + Slot High-Voltage CPC Monodisperse Aerosol 18
Wide range Messsystem 19
Intention des wide range Systems Kombination von optischem Partikelzähler (OPC) mit SMPS-Technik (Mobilitätsdurchmesser) für breites Partikelgrößenspektrum (wide-range) Bestimmung der bedeutsamen Aerosole in der Atmosphäre (Gesundheit, Klima, Ursachenanalyse) Robustes, benutzer- und servicefreundliches Gerät für den stand-alone Betrieb Kontinuierliche Messungen mit hoher Datenverfügbarkeit und hoher zeitlicher Auflösung (min) 20
Wide-range-Messtechnik Die wide range Messtechnik kombiniert zwei unterschiedliche Messprinzipien a) OPC (Größenbereich 250 nm 32 µm, 31 Klassen) b) SMPS+C (5.5 nm 350 nm, 44 Klassen) Mit dieser Kombination lassen sich zeitgleich sehr feine Verbrennungsaerosole (UFP, < 100 nm) und relativ große Partikel (µm- Bereich) messen. Beim KFZ-Verkehr können z.b. Rußpartikel und Reifenpartikel in Größe und Anzahl gleichzeitig bestimmt werden. 21
Wide Range Partikelmessystem 22
Technische Eigenschaften Robustes Edelstahlgehäuse mit Klimaanlage 19 OPC und 19 SMPS+CPC Nafion-Membrantrocknung der Probe 23
Wide-range-Größenverteilung SMPS SMPS+C Überlappung OPC Partikeldurchmesser [nm] 24
Wide-range-Partikelgrößenverteilung 25
Messungen am Hohenpeißenberg 26
Setup am Hohenpeißenberg 22. Januar 2009 b) OPC a) c) SMPS+C e) 2D Graph 3 10 5 dn/dlnd [1/cm 3 ] 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 Opt. Spectrometer SMPS+C d) 10-3 1 10 100 1000 10000 Particle Size [nm] 27
Messung am Hohenpeißenberg a) Aerosol Größenverteilung c) b) 28
Messergebnisse Zeitliche Veränderung der Partikelgrößen und Anzahl 29
Größenverteilungen an verschiedenen Tagen a) b) c) d) 30
Hohe Partikelanzahl am 04.02.2009 31
Vergleich wide range mit Gesamtpartikelzahl c Integral von 71 Kanälen - dn/dlog(dp) CPC als reiner Zähler (> 3 nm) 32
Wide range (Gesamtzahl) mit CO 33
Wide range (Gesamtzahl) mit SO 2 34
Zusammenfassung (wide range) Das GRIMM wide range System ist eine Kombination von zwei bewährten Messtechniken (OPC und SMPS). Mit dieser Kombination werden Messungen von Partikelgrößenverteilungen von 5 nm bis 32 µm in 71 Kanälen möglich). Das System ist in einem kompakten und robusten Edelstahlgehäuse mit Klimaanlage untergebracht. Es erlaubt kontinuierliche Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung (min) bei geringem Wartungsaufwand. Die wide range Daten werden kombiniert mit gasförmigen Messungen und meteorologischen Daten um Transport- Mischungs- und Bildungsprozesse der Aerosole zu untersuchen. 35
Low cost wide range 36
GRIMM-NanoCheck NanoCheck Anwendung Spektrometer 37
Intention des NanoCheck Da die Intensität der Streuung mit der 6. Potenz der Partikelgröße abnimmt, können optische Partikelzähler keine Partikel unter ca. 100 nm detektieren. Die SMPS und CPC Technik ist prinzipiell für die Messung von Nanopartikeln geeignet, ist jedoch relativ kostenintensiv. Gravimetrische Messverfahren sind für Nanopartikel weniger geeignet (geringe Masse der Partikel). 38
GRIMM-NanoCheck 39
Einsatz des NanoCheck Der NanoCheck kann direkt an die optischen Partikelzähler (Spektrometer) angekoppelt werden und ermöglicht damit Messungen von Nanopartikeln in Innenräumen und in der Außenluft. Der kleine, robuste Aufbau und die Möglichkeit einer mehrstündigen Messung mit Batteriebetrieb erlaubt eine hohe Mobilität. Spektrometer NanoCheck NanoCheck 40
Aufbau und Messprinz Der NanoCheck hat drei zentrale Bauteile: einen unipolaren elektrischen Diffusionsauflader eine Elektrode zur Ionen bzw. Partikelabtrennung ein Faraday Cup Elektrometer zur Strommessung 1.4 kg 24 cm 41
Aufbau und Messprinz Messprinzip 42
Kalibrierung und Validierung mit SMPS 43
Messbeispiele NanoCheck Außenluftmessungen 44
Messbeispiele NanoCheck Arbeitsplatzmessungen 45
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 46