Folie 1

AerosolpartikelNina HarschBlockseminar Luft, Luftbelastungen, UmweltschutzWestflische Wilhelms-Universitt MnsterSS 20091AEROSOLPARTIKELDefinition und BedeutungKlassifikationGrenverteilungDynamikProzesseMesstechnikSS 20092AerosolpartikelInhalt2Aerosol: aero -> Luft, sol -> DispersionDispersion fester und z.T. auch flssiger Schwebeteilchen in Luft. Aerosolpartikel

Gre, Verteilung, Quellen, Senken, Lebensdauer, Transportdistanz, Prozesse, Dynamik, Messtechnik

SS 20093AerosolpartikelDefinition Aerosolpartikel3aero, sol = griechischSchwebeteilchen = PartikelLuft, oder selten auch anderes Gas = DispersionsmittelToxizitt

Stofftransport

Wolkenbildung indirekter Aerosoleffekt

Strahlungsantrieb TreibhauseffektSS 20094AerosolpartikelBedeutung4Toxizitt: je kleiner, desto tieferes Eindringen in Lunge, desto toxischerStofftransport: globale Verfrachtungindirekter Aerosoleffekt: Aerosolpartikel = Kondensationskeime => Wolkenbildung => Atmosphren-AbkhlungTreibhauseffekt: z.B. durch Ru-Partikel = schwarz = Wrmeabsorption => Atmosphren-ErwrmungSS 20095Aerosolpartikel

5THE: black carbon (Ru) -> ErwrmungAerosol indirect effect -> Abkhlung (Unsicherheit! range!)

Genese: primr / sekundr

Durchmesser:fein / grobPM-SkalaSS 20096AerosolpartikelKlassifikation

6Primre Partikel:direkter Eintrag in die Atmosphre

Sekundre Partikel:aus Reaktionen in der AtmosphreSS 20097AerosolpartikelKlassifikation nach Genese

7Primre Partikel: global ca. 5 % anthropogen; ca. 50 % Seesalz (v.a. Kstenstdte) ; auch: Mineralstaub, Pollen, Sporen, Asche, Reifenabrieb; (global)- Seesalz: Wellenbrechung -> Lufteinschluss -> Luftaufstieg -> Blase platzt -> Eintrag feiner Tropfen in Atmosphre -> Trocknung > Salz in LuftSekundre Partikel: global ca. 60 % anthropogen; Verbrennungsprozesse (Kohle, l, KFZ, Biomasse)Salze SO42- NH4+ NO32-SS 20098AerosolpartikelReaktionen (sek. Partikel)

Gase SO2 NH3 NOX8SO2 (Schwefeldioxid)SO42- (Sulfat => Vorstufe fr sauren Regen)1.) 2 SO2 + O2 2 SO3 (Schwefeltrioxid / Schwefelsureanhydrid; kristallfrmig)2.) SO3 + H2O H2SO4 (Schwefelsure)

NH3 (Ammoniak; Glle, Dnger) NH4+ (Ammonium => Vorstufe fr sauren Regen)

NOX (Stickoxide; NO & NO2) NO32- (Nitrat => Eutrophierung von Gewssern und Grundwasser)

grobe / feine Partikelgrob, primr: > 2 mfein, sekundr: < 2 m

ultrafein: < 0,1 mAitken-Teilchen: < 0,08 maccumulation range: 0,08 - 2 m

PM-SkalaPM10 (< 10 m): FeinstaubPM2,5 (< 2,5 m)PM1 (< 1 m)

SS 20099AerosolpartikelKlassifikation nach Durchmesser

Toxizitt

9Grobe Partikel: Transportdistanz max. 100 km Sand:2 mm - 63 m (mit Absicht falschrum)- Schluff: 63 - 2 mFeine Partikel: Transportdistanz tausende km- Ton: < 2 m(-> LK: Reibprobe zwischen den Fingern: Ton bleibt in Rillen hngen)(1 mm = 1.000 m bzw. 1 m = 1 tausendstel mm = 1000 nm)Accumulation Range: hohe Lebensdauer (Tage bis Wochen) grere Partikel: Sedimentation (Minuten bis Tage) kleinere Partikel: Wachstum (Minuten bis Tage)PM10: rund 2/3 der PM10-MASSE ist das toxische PM2,5 (vor allem aus Verkehr)=> Logische Schlussfolgerung: Verkehrsreduktion = PM2,5-Reduktion = Besserung; aber: leider oft dennoch keine Besserung Grund: viele Einflussfaktoren auf PM2,5-Bildung (z.B. VOCs, siehe Prsentation Ozon)10Entwicklung in Deutschland

Quelle (anthrop.)PM 2,5PM 10Energie55 %33 %Industrie14 %18 %Landwirtschaft6 %19 %Sonstige24 %31 %10Seit der Wende 1989/90 deutlicher Feinstaub-Rckgang in Deutschland.Energie = Fossile Brennstoffe (v. a. Verkehr, aber auch Energiewirtschaft und sonstige Feuerungsanlagen)Landwirtschaft = v.a. DngungSonstige = Reifenabrieb, staubende Gter, etc.Anzahl [N/cm3]Urban: 140.000Rural: 8.800Polar: 22

Durchmesseraccumulation range ist vorherrschend

SS 200911AerosolpartikelVerteilung

11N = Partikelanzahl; DurchschnittswerteRote Kurve: Grenverteilung (wird im Folgenden erklrt)Ziel: Darstellung, in der sowohl groe Anzahlen, als auch kleine Durchmesser gebhrend bercksichtigt werdenSS 200912Grenverteilung - Herleitung

121.) 3 Grenklassen, Klassenbreite D = 1 m2.) Verfeinerung auf D = 0,5 m3.) Normierung der y-Achse auf die Ursprungsklassenbreite D = 1 m (rechnerisch: N/D) vgl. Grafik 1 und 3!4.) Bildung der kumulierten HufigkeitenSS 200913Aerosolpartikel

Grenverteilung - Herleitung135.) Logarithmieren (log) der X-Achse (Achtung: X-Achse geht jetzt bis 100 m!) => kleinere Durchmesser nun klarer erkennbar6.) Ableiten der Kurve (d log D) die Ableitung der kumulierten Hufigkeit ist die Hufigkeit Vorteil: Durchmesser und Anzahlen werden gleichermaen eingebracht (s. Finaldarstellung auf nchster Folie)

14Es gibt 3 Maxima (diese sind erst in dieser Darstellungsart sauber erkennbar):X rechts: PrimrpartikelmaximumX links: SekundrpartikelmaximumX Mitte: Accumulation Range-MaximumFachbegriffe (Nukleation, Washout, Cloud Processing, etc.) = Prozesse => nchste Folie ff

Ultrafeine Partikel: Bewegung wie Gasmolekle=> Free Molecule (Kinetic) Regime

Aitken-Teilchen & Accumulation Range: Bewegung zwischen Gasmolekl und freiem Fall=> Transition Regime

Grobe Partikel:Bewegung wie Kugel in freiem Fall (Stokes Law)=> Continuum RegimeSS 200915AerosolpartikelPartikeldynamik

15Dynamik = BewegungUltrafeine Partikel: < 0,01 m; willkrliche Bewegung / Diffusion Brownsche Bewegung T-abhngig (s. Grafik)Aitken-Teilchen & Accumulation Range: 0,01 - 2 mGrobe Partikel: > 2 m; Stokes Law: siehe SedimentationElefant schneller als Feder grobe Partikel sedimentieren schneller als feine Partikel (gilt aber nur an der Luft, nicht jedoch im Vakuum)Homogene NukleationHeterogene NukleationKoagulationSedimentationImpaktionSS 200916AerosolpartikelPartikelprozesse16Partikelneubildungberschreiten des Sttigungsdampfdrucks eines Gases in der LuftBildung von Partikeln aus der Gasphase eines oder mehrerer StoffeWichtige Stoffe: H2OIsoprenH2SO4

SS 200917AerosolpartikelHomogene Nukleation

17Wenn nur 1 Stoff beteiligt: Self-Nucleation

H2O (s. Foto: Nebelbildung nach berschreiten des Sttigungsdampfdrucks von Wasserdampf in der Luft): kann von allen Stoffen am Besten Nukleation betreibenIsopren: Von der Vegetation in groen Mengen emittierter Kohlenwasserstoff (erst seit 1998 wei man, dass Isopren zur Nukleation beitrgt)H2SO4: Schwefelsure, aus Schwefeldioxid-Aussto durch Industrie (s. Abb.) => Partikel / saurer RegenPartikelwachstum durch AnlagerungOberflchenwachstum eines festen Partikels durch Kondensation von Gasen auf seiner Oberflchez.B.: AlkeneSS 200918AerosolpartikelHeterogene Nukleation

18Anlagerung = KondensationAlkene: u.a. von Vegetation ausgestoen (Pheromone => Bestubung)Partikelwachstum durch Anhaftung 2 Partikel prallen zusammen und bleiben aneinander haften bzw. kleben molekulare und turbulente Diffusion Diffusionskoeffizient: beschreibt Partikelbewegung Sticking Coefficient: beschreibt Klebe-WahrscheinlichkeitSS 200919AerosolpartikelKoagulation

19Diffusion:a) Vgl. Folie 15: Ultrafeine Partikel (< 0,01 m): molekulare Diffusion bzw. Brownsche Bewegung (willkrlich & T-abhngig)b) zustzlich: turbulente Diffusion (durch Wind) in der Atmosphre viel relevanter, da schneller als a)

Diffusionskoeffizient: kleine Partikel = schnelle Bewegung = hoher DiffusionskoeffizientQuantitative Beschreibung: Knudsen-Zahl [Kn]Kn = (2 * ) / Durchmesser = freie Weglnge = ca. 0,07 m (nimmt mit der Hhe zu)a) Kn >> 10 => free molecule regimeb) Kn = 1 bis 10 => transition regimec) Kn < 1 => continuum regime (freier Fall)

Sticking Coefficient: SC 1 = 100 % AufprallchancenKleine Partikel: schnellGroe Partikel: langsamklein + schnell => keine Begegnunggro + langsam => keine Begegnung (oder kein Haften, weil zu schwacher Aufprall)Schnell + langsam = Zusammentreffen und AnhaftenSS 200920Aerosolpartikel

http://www.azonano.com/work/Nanostructured%20Materials%20Production%20and%20Manufacturing%20in%20Order%20To%20Gain%20Special%20Effects%20and%20Propertie_files/image002.gif20Zusammenfassung der bisherigen Prozesse:1.) Inception = Grndung / Beginn = Neubildung, homogene Nukleation2.) Surface Growth = Oberflchenwachstumg / heterogene Nukleation3.) Coagulation = Koagulation / Aneinanderhaften4.) Coalescence = Zusammenballung / Vereinigung von bereits angewachsenen Partikeln

Partikelbanane21Typischer Tagesgang in Stdten:1.) ab ca. 8 Uhr schlagartiges Auftreten ultrafeiner Partikel (< 0,01 m) > Nukleation (Partikelneubildung)2.) von ca. 10-20 Uhr stetiges Wachstum > Koagulation=> Bananenfrmige Entwicklung der Partikelgrenverteilung Voraussetzung: Fallgeschwindigkeit > 5 m/sContinuum Regime (freier Fall)Stokes Law:

Free Molecule Regime (Brownsche Bewegung)Stokes Law + Cunningham Slip Correction (Cc):

SS 200922AerosolpartikelSedimentation

22Fallgeschwindigkeit: z.B. Regentropfen: muss mindestens 5 m gro sein, um Fallgeschwindigkeit > 5 m/s zu erreichenGeorge Stokes: Irischer Mathematiker (1851)Stokes' Law: zur Bestimmung der SedimentationsrateEinflussgren: Partikelmasse (mp), Sedimentationsgeschwindigkeit des Partikels (v), Zeit (t), Gravitationskraft (g = 9,81 m/s), Viskositt der Luft (), Partikeldurchmesser (D), Vertikalgeschwindigkeit (= nach unten/oben) der Luft (u)

Ebenezer Cunningham: britischer Mathematiker (1910)Stokes Law mit Cunningham Slip Correction (Cc):Abhngig vom Partikeldurchmesser (D) => Je kleiner D, desto grer Cc => geringere Sedimentationsrate (vgl. Feder und Elefant)Wichtig: stndige Turbulenzen berdecken die Fallbewegung kleiner Partikel Im Vakuum wrden jedoch alle Partikel unabhngig von ihrer Masse gleichschnell fallen!Partikel prallt auf Tropfen aufDispersionLsungTropfenoberflche

Entfernung / Auswaschung aus Atmosphre v.a. accumulation range

SS 200923AerosolpartikelImpaktion

23Accumulation Range (0,08 - 2 m): hohe Lebensdauer (Tage bis Wochen)

Dispersion: ungelster Einschluss in TropfenTropfenoberflche: bei hydrophoben PartikelnSS 200924Aerosolpartikel

http://www.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/18790/entstehung.png24Links: Erzeugung durch NukleationMitte: Wachstum durch Koagulation + AkkumulationRechts: feuchte (Wolkenprozesse) oder trockene DepositionMessgerte:ImpaktorenPartikelwaagenPartikelspektrometerPartikelanalyserNiederdruckimpaktorMessgren:

AnzahlMasseGrenverteilungChem. EigenschaftenSS 200925AerosolpartikelPartikelmesstechnik25Impaktoren: Berner-Impaktor, High Volume Sampler (HVS) Grenverteilung, chem. EigenschaftenPartikelwaagen: TEOM, FDMS, -Absorption, Aethalometer, Carusso MassePartikelspektrometer: Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) & Condensation Particle Counter (CPC) Anzahl, GrenverteilungPartikelanalyser: LAMPAS Anzahl, Masse, chem. EigenschaftenNiederdruckimpaktor: ELPI Anzahl, GrenverteilungGrenverteilung & chem. EigenschaftenPartikelsammlung per ImpaktionAusnutzung der MassentrgheitSS 200926AerosolpartikelImpaktoren

26Massentrgheit: grerer Durchmesser = grere Impaktionswahrscheinlichkeit Obere Prallplatten (mit Filterpapier) = grere PartikelAbb. = Kaskadenimpaktor (bis zu 12 Stufen)Unten: Schlussfilter + VakuumpumpeDsen- / Freie ImpaktorenLuftfluss: gerade / gewundenFiltermaterial: Glasfaser / Alu / PE / KombiEinstufig / MehrstufigHigh Volume SamplerBerner ImpaktorSS 200927AerosolpartikelImpaktoren

27Dsenimpaktoren: Prallplatten ; Freie Impaktoren: Partikel bewegen HindernisLuftfluss: kann z.B. spiralfrmig seinFiltermaterial: hufig mit Haftmittel (Vaseline, l, Fett) gegen VerblasungEinstufig: Partikelgre wird durch Vorabscheider im Vorhinein begrenzt; Mehrstufig: bis zu 12 Stufen (Trenngrenze 0,01 m) vgl. Abb. Lunge (gleiches Prinzip wie bei Impaktor => kleine Partikel besonders gefhrlich, da sehr tiefes Eindringen)High Volume Sampler: einstufig, groes Durchflussvolumen (bis 1000 l /min.)Berner Impaktor: 12-stufig (variabel aufbaubar), Messbereich 0,008 - 20 m, Messintervall bis 6 Std.Bestimmung der Masse durch:

TEOM + FDMS

-Absorption

Aethalometer

Carusso

SS 200928AerosolpartikelPartikelwaagen

28TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance): Massen-Feder-Schwingsystem (s. Abb.) => grere Masse = geringere SchwingfrequenzPartikel > PM 10 werden vorher ausgefiltertDurchflussvolumen: 3 l / min.FDMS (Filter Dynamics Measurement System):TEOM-Ergnzung zur Bercksichtigung flchtiger StoffeBasisstrom (normaler Strom mit Partikeln) - Referenzstrom (nur flchtige Stoffe; Partikel herausgefiltert) = Masse nichtflchtiger Stoffe-Absorption: radioaktive Quelle (- bzw. Elektronen-Strahlung)Partikel absorbieren -Strahlung => mehr Partikel = mehr Absorption Umrechnung in MasseDurchflussvolumen: 17 l / min.PM 2,5 & PM 10Aethalometer: fr elementaren Kohlenstoff (Ru)Messung der Lichttransmission durch Filter (Quarzfaser) => mehr Rupartikel = geringere Transmission Umrechnung in MasseProblem: z.T. Streuung an groen PartikelnDurchflussvolumen: 2-6 l / min.Carusso: Lsung des Problems der Streuung an groen Partikeln (vgl. Aethalometer)Kombination aus Transmissions- und Streuungsmessung => genauer / korrekter als das AethalometerAnzahl und Grenverteilung (0,03 - 10 m)Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS):Electrostatic Classifier GrenklassenCondensation Particle Counter (CPC) AnzahlSS 200929AerosolpartikelPartikelspektrometer

29Hiermit ist die Partikelbanane ( Partikelneubildung) erstellbar.Electrostatic ClassifierAnsaugschlauchVorimpaktorRadioaktive QuelleDMA

SS 200930AerosolpartikelPartikelspektrometer

301.) Ansaugschlauch:- Abdichtung, um Mischung mit Raumluft zu verhindern Material: Spezialkunststoff (keine isostatische Aufladung) > 1 m = 100 2.) Vorimpaktor: 90-Winkel, Prallplatte, Inerte Impaktion => Partikel > PM 10 werden aus Aerosol entfernt(Grund: groe Partikel neigen zu strkerer positiver Aufladung)3.) Radioaktive Quelle: (s. Foto)Krypton 85 (radioakt. Isotop, gasfrmig) > Atomkernzerfall (automatisch) => -Strahlung wird frei und trifft auf Partikel => Elektronensto bewirkt Ablsung von Elektron(en) aus Partikeloberflche (Ionisierung) => Partikel: positive Ladung4.) Differential Mobility Analyser (DMA):- Elektrisches Feld (-) zieht ionisierte Partikel (+) an> Anziehungskraft abhngig von Stromspannung, Partikelladung (=> Partikel sollten mglichst alle die gleiche Ladung haben) & Partikelmasse> leichte (bzw. kleine) Partikel werden strker vom elektrischen Feld angezogen[Beweis: Newton: Kraft = Masse * Beschleunigung: K = m * b > Umwandlung: b = K / m => bei gleichbleibender (Anziehungs-)Kraft (hier durch Ladung + elektrisches Feld ausgelst) steigt die Beschleunigung, je geringer die Masse ist]- Spannung wird kontinuierlich verstrkt (komplettes Spektrum wird in ca. 4,5min durchlaufen)- Nur Partikel bestimmter Gre gelangen jeweils in Schacht (unten)=>Automatische Sortierung in GrenklassenCondensation Particle Counter (CPC)Butanoldampf kondensiert auf PartikelnPartikel vergrern sichLichtstreuung auf DetektorFrequenz ergibt AnzahlSS 200931AerosolpartikelPartikelspektrometer

31CPC: 1.) bersttigter Butanoldampf (s. Flasche in Foto) wird abgekhlt und kondensiert auf Partikeln (heterogene Kondensation) 2.) => Vergrerung => optisch zhlbar3.) Partikel mit optisch messbarer Gre passieren einen Laser und streuen Licht auf einen Lichtdetektor 4.) => Frequenz der Lichtimpulse ergibt AnzahlLaser Mass Analyser for Particles in theAirborne State (LAMPAS 2)

Anzahl, Masse, chemische Eigenschaften0,2 - 10 m

DruckkammernDetektionslaserIonisationslaserSS 200932AerosolpartikelPartikelanalyser

32Druckkammern: Aussortierung von PM 10 Partikel werden in konstante, von ihrer Masse abhngige, Geschwindigkeit gebracht Detektionslaser: registriert Partikel => AnzahlIonisationslaser: a) massenspezifische Flugdauer von Detektions- bis Ionisationslaser ergibt Masseb) UV-Laserstrahl verdampft und ionisiert die Partikel => entstandene Ionen geben Aufschluss ber die atomaren und molekularen Bestandteile der Partikel.Dazu werden sie in einem elektrischen Feld beschleunigt und gleichzeitig durch 2 Flugzeit-Massenspektrometer detektiert. Die erhaltenen Daten werden anschlieend computergesttzt ausgewertet. => chemische ZusammensetzungElectrical Low Pressure Impactor (ELPI)Anzahl, Grenverteilung (0,03 - 10 m)Auflsung < 5 sek., 12 Stufen, 30 l /minPartikelbanane, TV, Depositionsgeschwindigkeiten

Charger ionisiert PartikelPrallplatten: Spannungsmessung

SS 200933AerosolpartikelNiederdruckimpaktor

33Sehr hohe Auflsung => fr sehr kurze Messzeiten geeignet12 Stufen verschiedenen DrucksDurchflussvolumen 30 l/ min (vgl. High Volume Sampler: einstufig, Durchflussvolumen bis 1000 l /min.)Wie alle Impaktoren: Filtermaterial hufig mit Haftmittel (Vaseline, l, Fett) gegen VerblasungEinsatzgebiete: Partikelbanane (Neubildung), TV (Abgasmessungen), Depositionsgeschwindigkeiten (je nach Gre/Masse)Charger: Partikel werden positiv geladenPrallplatten: a) Grenverteilung nach Stufenb) je mehr Partikel pro Stufe, desto hher die Spannung => Spannung ergibt AnzahlSS 200934AerosolpartikelVielen Dankfr die Aufmerksamkeit!34