FeinstaubsymposiumErlangen 10.10.2005
Selektive Feinstaubbestimmung
Dipl.-Ing. Roland Sommer
Motivation
2005: Inkrafttreten der Europäischen FeinstaubrichtlinieGrenzwert: 40 µg/m³ (Jahresmittelwert)
Problem: Es wird nur die Gesamtkonzentration (< 10µm) betrachtet ohne zwischen einzelnen
Größenklassen und Partikeln zu unterscheiden
keine eindeutige Bewertung des Feinstaubs
Dieselruß
Motivation
3. Problem: Welche Emissionsquelle?
2. Welche Partikel werden gemessen?
Selektive Partikelbestimmung
Online-Charakterisierung
1. Ultrafeine Partikel sind gesundheitsschädlicher als grobe Teilchen
Bestimmung der Massenkonzentrationder ultrafeinen Partikeln
Schnelles selektives Messsystem notwendig
Messmethoden
1. Wiegen (Gravimetrie)Prinzip:
PumpeFilter
Gesamtmassenkonzentration
FeinstaubPM10
Wiegen des Filters vor und nach Belegung
nicht selektiv (Erfassung sämtlicher Partikel)
zeitaufwendig
Messmethoden
2. ZählenPrinzip:
Feinstaub
Zählen der einzelnen Größenfraktionen
Anzahlkonzentration
keine Unterscheidung von verschiedenen Partikeln
Partikelabscheider
…..
Messmethoden
3. Oberflächenbestimmung
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Chemische Adsorptionsverfahren
eindeutige nicht-selektive Größenbestimmung möglich
zeit- und kostenintensiv
Dieselruß
Prinzip der laserinduzierten Glühtechnik
Aufheizung der Rußpartikel mit
hochenergetischem Laserpuls
Detektion der emittierten
Wärmestrahlung
Verdampfung
Wärmeleitung
Selektive Rußbestimmung von elementarem Kohlenstoff (EC)
Messungen in Echtzeit möglich (>1Hz)
zeitlicher Abfall abhängig von spezifische Oberfläche
Maximalsignal proportionalzur Massenkonzentration
0.001
0.01
0.1
1
0 50 100 150 200 250 300
dp=20nm dp=30nm
dp=40nm
Zeit t [ns]
Sig
nal [
norm
iert]
Prinzip der laserinduzierten Glühtechnik
Messaufbau: Mobile Detektionseinheit
Detektionseinheit
Datenverarbeitung
Quelle der
Partikelemissionen?
Vergleich mit gravimetrischem Sammelmesssystem (TEOM)
Messungen in Erlangen
Pfarrstraße Kraepelinstraße
Massenanteil des Rußes (bzw. des
elementarenKohlenstoffs)
am Gesamtstaub?
Stationäre Messungen
Erlangen: Kraepelinstraße
Feinstaub kommt hauptsächlich aus natürlichen Quellen
Stationäre Messungen
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mas
senk
onze
ntra
tion
[µg/
m³]
Gesamtstaub PM10
elementarer Kohlenstoff
7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00
< 3µg/m³
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Mas
senk
onze
ntra
tion
[µg/
m³]
Gesamtstaub (10.06) elementarer Kohlenstoff (10.06)Gesamtstaub (14.06) elementarer Kohlenstoff (14.06)
Erlangen: Pfarrstraße
Anteil an elementaren Kohlenstoff liegt zwischen15 and 50% der Gesamtkonzentration
Stationäre Messungen
7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30
0.3
0.2
0.1
EC
mas
s co
ncen
tratio
n [m
g/m
³]
07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30time
Erlangen: Pfarrstraße
typischer beispielhafter Konzentrationsverlauf
durchschnittliche Belastung: 9 µg/m³
einzelne Fahrzeuge
sehr hohe Emissionen einzelner Fahrzeuge
Stationäre Messungen
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97
time
EC
mas
s co
ncen
trat
ion
[mg/
m³]
Stationäre Messungen
Dieselpartikelfilter für Busse zwingend notwendig
kurzeitige aber sehr hohe Belastung für Kinder
Bushaltestelle: Belastung für Schüler
Messstellenhöhe 1.40m
5 s
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
EC
mas
s co
ncen
tratio
n [m
g/m
³]
07:30 07:40 07:50 08:00 08:10 08:20 08:30 08:40time
Mobile Messungen: außerhalb des Fahrzeugs
Nürnberg: Hauptverkehrszeit
Rußbelastung während mobiler Messungen?
VerkehrsstauStraßenkreuzungen
Nürnberg: Verkehrsstau an einer Kreuzung
eindeutige Zuordnung einzelner Fahrzeuge möglich
Mobile Messungen: außerhalb des Fahrzeugs
Nürnberg: Hauptverkehrszeit
permanent höhere Rußkonzentrationenim Fahrzeug im Vergleich zur Umgebung
Wie viele Rußpartikel inhaliert ein Fahrer?
Vergleich in- und außerhalb des Fahrzeugs
13 - 4711 - 50Primärpartikelgröße [nm]
0,279 - 0,0710,361 - 0,067Spezifische Oberfläche [m²/mg]
max 120bis zu 820Max. Rußmassenkonzentration [µg/m³]
19 - 288 - 10Durchschnittliche Konzentration [µg/m³]
im Autoaußerhalb des Fahrzeugs
Mobile Messungen: innerhalb des Fahrzeugs
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05EC
mas
s co
ncen
tratio
n [m
g/m
³]
16:16 16:18 16:20 16:22 16:24 16:26 16:28time
Fahrgeschwindigkeit: 60 km/h
Langzeitbelastung auch nach dem Tunnel
Tunnel
Messort:im Fahrzeug
Mobile Messungen: Tunnelfahrt
Zusammenfassung und Ausblick
Umfangreiche Feinstaubfeldstudien
Optimierung des Detektionsbereichs (<1µg/m³)
Simultane direkte Bestimmung der Rußmassenkonzentrationund spezifischer Oberfläche
Ausblick
Zusammenfassung
Eindeutige Zuordnung von hohen Spitzenkonzentrationen einzelner Fahrzeuge möglich
Höhere durchschnittliche Konzentrationen im Fahrzeug detektierbar