Projekt 12635/01

Aerosolprobennahmesystem mittels elektrostatischer Partikeldeposition auf Graphitplattformen zur direkten Elementanalytik

Projektdurchführung

Justus-Liebig-Universität GießenI. Physikalisches Institut
Heinrich-Buff-Ring 16
35392 Gießen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Probennahme zur Bestimmung von Luftbelastungen erfolgt derzeit in der Regel durch Ansaugen bestimmter Luftvolumina über geeignete Filter, die anschließend einer nasschemischen Aufschlussprozedur unterzogen werden müssen, um dann z.B. zur Elementbestimmung mit herkömmlichen instrumentellen Verfahren (z.B. AAS) analysiert zu werden. Nasschemische Aufschlussverfahren sind zeit- und kostenaufwendig und stellen aus ökologischer Sicht aufgrund des Entsorgungsbedarfs selbst eine Belastung dar. Ziel des Projekts ist die Entwicklung und der Aufbau eines Partikel- und Aerosol-Probennahmekopfes mit Probendeposition auf eine wiederverwendbare Graphitplattform zur direkten Feststoffanalyse (z.B. mit GF-AAS, ETV-ICP) ohne Filter und ohne nasschemische Probenaufbereitung. Die Miniaturisierbarkeit sowie die Möglichkeit der Automatisierung und (Fern-)Steuerung eröffnen vielfältige Einsatzmöglichkeiten bei der Messung atmosphärischer Aerosole, aber darüber hinaus auch in ande-ren Anwendungsbereichen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn Kooperation mit dem Industriepartner soll zunächst eine elektrostatische Depositionseinheit als Experimentier-Messkopf entworfen und aufgebaut werden, an welchem Testmessungen zur Bestimmung der optimalen physikalisch-technischen Parameter für unterschiedliche Messanforderungen durchgeführt werden. Hierzu gehören Messungen an Modellaerosolen (z.B. Prüfaerosole aus Aerosolgeneratoren oder lasergenerierte Aerosole), die ggf. in Abstimmung mit den Partnern anderer Teilprojekte durchgeführt und die durch ICP-Vergleichsmessungen überprüft werden sollen. Zeitlich parallel ist die Entwicklung der programmierbaren Elektronik zum Betrieb und zur Steuerung des Messkopfes vorgesehen, auch um eine möglichst flexible Einbindung in unterschiedliche Messaufgaben (anderer Teilprojekte) zu erreichen. In einem weiteren Schritt ist die Software zur Steuerung und Messdatenerfassung für die zentrale Auswertestation zu entwickeln. Nach Auswertung der Testmessungen soll unter Mitwirkung des Industriepartners ein fertigungsnahes Muster der gesamten Probennahmevorrichtung mit weitgehend miniaturisierter Peripherie konstruiert werden, das wiederum Testmessungen für unterschiedliche Messanforderungen zu unterziehen ist. Hierauf basierend sollen Prototypen (Kleinserie) gefertigt werden, die sich auch für den Feldeinsatz eignen


Ergebnisse und Diskussion

Basierend auf den Erfahrungen früher beim Auftragnehmer gebauter elektrostatischer Aerosol-Probennahmeeinrichtungen wurde unter Beibehaltung bewährter Parameter eine neue, kompakte Einheit für die Probennahme atmosphärischer Aerosole entwickelt und gebaut. Neben Plattformen für verschiedene AAS- und ETV-Geräte (Boot-Technik) können auch Substrate für die Licht- (Glassubstrate mit Indium-Zinn-Oxid-Schichten, ITO) und Elektronenmikroskopie (Silizium- und Glaskohlenstoff) eingesetzt werden. Zudem konnte der neue Probennehmer zu einer Mehrfach-Sammeleinheiten zu kombiniert werden, der die gleichzeitige oder sequentielle Probennahme auf bis zu zehn gleich- oder verschiedenartigen Substraten erlaubt.
Erste Tests wurden durchgeführt mit Aerosolen eines selbstgebauten Aerosolgenerators für Partikel in µm-Größe und einem selbst konstruierten und gebauten ETV-(electrothermal vaporization) Graphitrohrofen für die Erzeugung von Feinaerosolen (5 - 100 nm) durch Materialverdampfung und -kondensation. Ausführliche Untersuchungen mit einem optischen Mikroskop, einem Fluoreszenzmikroskop und mit Rasterelektronenmikroskopen (REM) zeigten, dass die Depositionszone scharf begrenzt war mit 1 - 1,5 mm Durchmesser. Mit dem REM konnten abgeschiedene Partikel < 30 nm eindeutig nachgewiesen werden; unter Hinzuziehung von Aufnahmen mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) wurde auch die Existenz von Partikeln bis £10nm gezeigt. Die Messungen mit den Modellaerosolen eigneten sich zur Optimierung.
Analytischen Resultate wurden durch Auswertung im Hause mittels eines Multielement-CS-CFS Geräts (kohärente Vorwärtsstreuung mit Kontinuumsstrahler), das eine simultane Multi-Elementbestimmung er-möglicht, erhalten sowie durch das Labor der Firma Analytik Jena für ein Element mit einem Feststoff-AAS-Gerät. Weiterhin wurden einige Plattformen mit einem ICP-MS Gerät analysiert (Prof. Frech, Umea, Schweden). Die hohe Abscheiderate der Depositionseinrichtung führte zu analytischen Signalen weit oberhalb der Nachweisgrenzen der Geräte. Dies erlaubt eine erhebliche Reduktion der Probennahmezeiten und damit die zeitliche Auflösung transienter Ereignisse.
Feldversuche fanden in der Kampagne Kleiner Feldberg (Feldex 2000) sowie in der Institutsumgebung statt. Zu diesem Zweck wurden 30 Depositionseinheiten produziert, von denen zweimal jeweils zehn zusammengefasst wurden zu einem Gerät und die restlichen zehn anderen Zwecken dienten. Die Geräte wurden vervollständigt durch die Konstruktion der Gasführung, -verteilung und -einstellung, der Hochspannungsversorgung und der Temperierung. Die Ansaugung der Luft erfolgte über einen Elutriator, der nur Partikel mit aerodynamischem Durchmesser < 5 µm einließ. Die Resultate zeigten, dass die Vorrichtung nicht nur geeignet ist, anorganische Partikel zu deponieren sondern auch organische Mikroorganismen wie z. B. Aktinomyzeten. Weiterhin war innerhalb des Depositionsflecks eine konzentrische Sortie-rung entsprechend dem aerodynamischen Durchmesser zu erkennen.
Insgesamt zeigte sich, dass die Geräteentwicklung im Umweltbereich einen guten Beitrag leisten kann, sowohl in Reinluftgebieten als auch bei der quellennahen Erfassung von Immissionen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Gerd Hermann, Georg Lasnitschka, Wulf Krüger, Rudolf Matz, Alexander Trenin, Burkhard Höflich, Hugo Ortner: Analyses of atmospheric aerosols with electrostatically collected particulates, Seventh Rio Sym-posium on Atomic Spectrometry, Florianópolis, SC, Brasilien, 7.-12. April 2002
Gerd Hermann, Georg Lasnitschka, Wulf Krüger, Marat Gafurov, Rudolf Matz, Alexander Trenin, Burk-hard Höflich, Hugo Ortner: Electrostatic sampling and analysis of atmospheric aerosols, XVIth Slovak Spectroscopic Conference, 23.-27. 06. 2002, Kosice, Slovakia
Gerd Hermann, Georg Lasnitschka, Rudolf Matz, Alexander Trenin, Walter Moritz: Sampling of Atmospheric Aerosols by Electrostatic Precipitation for Direct Analysis, Environmental Science and Pollution Research International (accepted for publication)


Fazit

Mit dem elektrostatischen Aerosolprobennehmer wurde ein Gerät entwickelt, das für die Probennahme atmosphärischer Aerosole sehr unterschiedlicher Zusammensetzungen und Konzentrationen geeignet ist. Möglich ist eine nahezu quantitative Abscheidung der Aerosolmasse auf den Graphit-Plattformen wichtigsten Hersteller von Analysengeräten. Die 10-fach Abscheidung erlaubt, bei nur einer einzelnen Probennahme sowohl Mehrfachanalyse dieser Probe zur statistischen Auswertung, sequentielle Mehrelementanalyse mit ET-Einelementverfahren und -geräten, Kontrollmessungen mit unterschiedlichen Verfahren (AAS, ETV-OES/MS) als auch begleitende Untersuchungen mit Hilfe geeigneter Substrate in Optischer Mikroskopie, Rasterelektronen-Mikroskopie mit wellenlängen- oder energiedispersiver Röntgenanalyse, und in Transmissions-Elektronenmikroskopie durchzuführen.