Projekt 12638/01

Entwicklung eines Monitors zur atmosphärischen Immissionsmessung von Aerosolpartikeln, insbesondere Ruß und polyaromatischen Kohlenwasserstoffen

Projektdurchführung

Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am MainZentrum für Umweltforschung
Georg-Voigt-Str. 14
60325 Frankfurt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In diesem Projekt soll ein preiswertes und kompaktes Gerät zur Verbesserung der Umweltanalytik von Ruß und polyaromatischen Kohlenwasserstoffen entwickelt werden Von den Kfz-bedingten Schadstoffemissionen sind der Dieselruß und die darin enthaltenen polyaromatischen Kohlenwasserstoffe das Hauptproblem der Luftverunreinigung in den Innenstädten. Herkömmlicherweise erfolgt die Probenahme des partikelgebundenen Rußes nach den VDI-Richtlinien 2465, Blatt 1. Dieses Verfahren ist aufwendig und kostenintensiv. Es soll daher durch die Anwendung eines neu entwickelten Drehstabimpaktors verbessert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Aufbau der Analytik gemäß VDI 2465 als Referenzverfahren
2. Aufbau eines Aerosolgenerators für C- und PAH-haltiges Aerosol
3. Test von Materialien zur Verwendung als Heizstab und Katalysator (Fa. Rosemount)
4. Berechnung und Bau eines beheizbaren Drehstabimpaktors mit einer Stufe für eine Partikelgröße (1 µm)
5. Belegung des Impaktors mit Kohlenstoffpartikeln durch Probenahme vom Aerosolgenerator
6. Kopplung des beheizbaren Drehstabimpaktors mit IR-Gerät der Firma Rosemount zur Bestimmung der abgeschiedenen Kohlenstoffmengen nach thermischer Umwandlung zu CO2
7. Einbeziehung von PAH bei der Herstellung des künstlichen Aerosols
8. Aufbau des Heizprogramms und der modifizierten Verbrennungskammer. Test der Analyse mittels IR-Spektrometer
9. Berechnung und Bau eines mehrstufigen Drehstabimpaktors (3 Stufen)
10. Kopplung des Mehrstufenimpaktors mit Brennkammer und dem IR-Gerät der Fa.


Ergebnisse und Diskussion

Zwischenbericht: Berichtszeitraum: 1.1.2000 - 31.12.2000
Hardware:
Die von der Uni-Frankfurt entwickelten Komponenten (Sammelkaskade aus Impaktoren und Zyklon in Edelstahl) und der Prototyp eines Steuerungsmodules von Fisher-Rosemount wurden zusammen mit den gewählten Systemkomponenten (u.a. Ventilinsel, Gasversorgung, Kaskadenantrieb, Ir-Spektrometer BINOS E von Fisher-Rosemount) in einem Kompakten Feldgehäuse montiert. Das Feldgerät hat eine Abmessung von ca. 55/40/60 cm (B/T/H) und ein Gesamtgewicht von 35 Kg (ohne Gasflaschen).
Software:
Für die Automatisierung wurde eine auf DELPHI basierende und auf WINDOWS 98 Oberfläche laufende Software entwickelt. Die Software übernimmt dabei folgende Aufgaben: 1.) Automatischen Betrieb der Sammelkaskade. 2.) Automatische Analyse des gesammelten Rußes: Dabei übernimmt das Programm die Steuerung und Kontrolle der Gasversorgung, die Heizungsreglung beider Sammelstufen mit einem frei skalierbaren Temperaturprofil und PID-Regelstruktur, Die Heizungsregelung der Katalysatoren und den Betrieb des nichtdispersiven Infrarotspektrometers BINOS E. 3.) Aufzeichnung sämtlicher Betriebsparameter. 4.) Auswertung der einzelnen Analysen: Die Software ermöglicht die automatische Auswertung der aufgezeichneten Analyse und die Verrechnung mit dem Probevolumen. Die Ergebnisprotokolle weisen den Rußgehalt der Atmosphäre in den zwei Größenklassen PM10 und PM2,5 sowie den drei chemischen Fraktionen (leichtflüchtige organischer Kohlenstoff, schwerflüchtige organischer Kohlenstoff und elementarer Kohlenstoff) in µg/m3 aus. 5.) Datenverwaltung der Messprotokolle. 6.) Überwachung des Messgerätes selbst.
Testphase:
Vor den ersten Feldmessungen mit dem Geräte, wurden die entwickelten Hard- und Software Komponenten auf ihre Funktionstüchtigkeit und Stabilität im Labor getestet und entsprechend modifiziert. Im Anschluss daran wurde von 15.08.01 bis 31.9.01 das Gerät, auf dem Kleinen Feldberg/Taunus, einem ersten qualitativen Feldtest unterzogen. Als Ergebnis kann die prinzipielle Einsatzfähigkeit des Messgerätes auch unter widrigen Wetterbedingungen und niedrigen Rußkonzentrationen festgehalten werden. Vergleichende Messungen mit anderen Rußmeßgeräten fanden dann während der Messkampagne FELDEX 2000 des Großverbundes Atmosphärische Diagnostik statt. Hier zeigte sich die Leistungsfähigkeit des Gerätes: Trotz der geringen Konzentrationen konnte das entwickelte Messgerät als einziges genauere Angaben über die Größenverteilung und die chemische Zusammensetzung des atmosphärischen Rußes auf dem kleinen Feldberg machen.
2. Prototyp:
Aufgrund der gesammelten Messergebnisse und Erfahrungen wurde der Prototyp vollständig überarbeitet. Ziel der Überarbeitung ist, unter Beibehaltung des Messprinzips und der Sammelkaskade, eine weitere Miniaturisierung und eine Verbesserung des Handlings (Einbau in 19 Elemente Abmessungen: 45/50/28 cm (B/T/H) und 20 Kg). Des weiteren soll die Software überarbeitet und ergänzt werden (Tages- und Wochengang Darstellung). Das zweite Gerät befindet sich zur Zeit in Konstruktionsphase.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ausstellung: Achema 2000, Frankfurt am Main 22.-27.5.2000, Halle 1.2, Stand G4- H5.Poster: Am Tag der offen Tür der FELDEX 2000, Feldberg Taunus 12.10.2000Poster: Seventh International Conference on Carbonaceous Particles in the Atmosphere (ICCPA 2000), San Juan, Puerto Rico, November 26-29, 2000Vortrag: Bei der: VDI-Arbeitsgruppe Messen von Ruß(I), Erlangen, 3. - 4.April 2000Siehe auch: WWW.rz.uni-frankfurt.de/zuf


Fazit

Der entwickelte Rußmonitor zeigte während der Labor- und Feldtest hervorragende Eigenschaften. Trotz niedrigster Rußkonzentrationen kann der Monitor in die drei Größenklassen >10µm, 10µm > 2,5 µm und < 2.5 µm zuverlässig unterscheiden. Gleichfalls ist die chemische Differenzierung der einzelnen Rußfrak-tionen (PM 10 und PM 2,5) ohne Einschränkung möglich. Die Resultate der Test gehen zur Zeit in die Entwicklung eines zweiten Prototyps ein.