2 Material und Methode
3.3 Dieselruß am Arbeitsplatz sowie Außenluft- und Innenraum- Innenraum-messungen
3.3.2 Dieselrußmessungen bei einer Abgasuntersuchung
Eine Messung während einer Abgasuntersuchung erfolgte am 20.1.05 in der Werks-halle eines Lkw-Reparaturbetriebs, Abb. 3.38.
Abb. 3.38 Probenahme am 20.1.05 in der Werkshalle eines Lkw-Reparaturbe-triebs während einer Abgasuntersuchung.
Die Probenahme mit CPC, Respicon und E-Staubsammler war etwa 12 m entfernt von der Abgasprüfung eingerichtet worden. Am Ort dieser Prüfung konnten dagegen lediglich Messungen mit einer offenen Filterkassette erfolgen, Tab. 3.8. Den Ver-gleich der registrierenden Messung der Massen- und Teilchenkonzentration mit den Angaben des Audioprotokolls zeigt Abbildung 3.39.
Demnach steigt am Ende einer ersten Leerlaufphase eines bei Messbeginn bereits in der Halle abgestellten Lkw etwa um 9:40 Uhr nur die Teilchen- aber nicht die Mas-senkonzentration deutlich an, und zwar mit einem Faktor von etwa 10 sogar stärker als bei der nachfolgenden Phase bei Vollgasbetrieb (etwa um 9:50 Uhr). Erst in die-ser Phase nimmt auch die Massenkonzentration merklich zu, bleibt dann aber in ihrer Höhe weit länger bestehen als die Teilchenkonzentration, die nach Abstellen des Mo-tors beide male rasch wieder abfällt. Im Folgenden ist zu prüfen, inwieweit dieses Verhalten durch das Koagulationsverhalten der ultrafeinen PT und A+A des Diesel-rußes zu beschreiben ist.
Hallentor auf, LKW fährt ein Tor zuMotor an VollgasHallentor auf
LKW fährt aus, Tor zu auseinHallentor auf, LKW fährt ein
Tor zuMotor an VollgasHallentor auf
LKW fährt aus, Tor zu ausein
LKW anVollgas einaus
1.000
10.000
100.000 10:4110:5111:0111:1111:2111:3111:411.000
10.000
100.000 09:3609:4609:5610:0610:1610:26
Teilchen/ml .
52.000 25.000 D-MGM 150nm90 nm250nm 0,001
0,01
0,1
1 10:3710:4710:5711:0711:1711:2711:37
mg/m³
A-Staub [mg/m³] T-Staub [mg/m³] E-Staub [mg/m³] 0,001
0,01
0,1
1 9:339:439:5310:0310:1310:2310:33
mg/m³
A-,T-, E-Staub ca. 15µg/m³ A-,T-, E-Staub ca. 200µg/m³, T1/2>60min
T1/2=18min 13.000 Hallentor auf, LKW fährt ein
Tor zuMotor an VollgasHallentor auf LKW fährt aus, Tor zu auseinHallentor auf, LKW fährt ein
Tor zuMotor an VollgasHallentor auf LKW fährt aus, Tor zu auseinHallentor auf, LKW fährt ein
Tor zuMotor an VollgasHallentor auf LKW fährt aus, Tor zu auseinHallentor auf, LKW fährt ein
Tor zuMotor an VollgasHallentor auf
LKW fährt aus, Tor zu ausein
LKW anVollgas einausLKW anVollgas einaus
1.000
10.000
100.000 10:4110:5111:0111:1111:2111:3111:411.000
10.000
100.000 10:4110:5111:0111:1111:2111:3111:411.000
10.000
100.000 09:3609:4609:5610:0610:1610:26
Teilchen/ml .
52.000 25.000 D-MGM 150nm90 nm250nm 0,001
0,01
0,1
1 10:3710:4710:5711:0711:1711:2711:37
mg/m³
A-Staub [mg/m³] T-Staub [mg/m³] E-Staub [mg/m³] 0,001
0,01
0,1
1 10:3710:4710:5711:0711:1711:2711:37
mg/m³
A-Staub [mg/m³] T-Staub [mg/m³] E-Staub [mg/m³] 0,001
0,01
0,1
1 9:339:439:5310:0310:1310:2310:33
mg/m³
A-,T-, E-Staub ca. 15µg/m³ A-,T-, E-Staub ca. 200µg/m³, T1/2>60min
T1/2=18min 13.000
Abb. 3.39 Teilchen- und Massenkonzentrationen der CPC- (oben) und der Respi-conmessung (unten) im Vergleich mit dem Audioprotokoll (Mitte). Die mittleren Teilchenkonzentrationen liegen bei 21000 T/ml in der ersten und bei 8700 T/ml in der zweiten Messphase. Die Tyndallometeraus-schläge des Respicon sind anhand der über beide Messphasen ge-sammelten Filterniederschläge als Massenkonzentrationen in mg/m³ kalibriert.
Die zweite Messphase beginnt in der zunächst leeren Halle, wobei durch das Öffnen der Hallentore offenbar sowohl die Teilchen- als auch die Massenkonzentration der ersten Messung abgesenkt worden war. Während der Einfahrt des 2. Lkw kommt es bei der Vorbeifahrt an der Messstelle zu einem kurzzeitigen Anstieg der CPC-Kon-zentration etwa um den Faktor 10. Währenddessen zeigt sich mit dem Respicon kei-ne auffällige Reaktion. Während und nach der Abgasprüfung mit Vollgasbetrieb wird sowohl mit dem Respicon als auch mit dem Kondensationskeimzähler ein im Ver-gleich mit dem 1. Lkw schwächerer Konzentrationsanstieg beobachtet. Da beide Lkw etwa die gleiche Größe besaßen und nicht mit einem Abgasfilter ausgerüstet waren, bleibt die Ursache dieses Unterschiedes offen. Allerdings dürften die Ergebnisse durch die beim Öffnen des Hallentores und der Einfahrt des Lkw kurz vor dem Test verursachte Luftbewegung beeinflusst sein.
Ergänzend lassen die in Abbildung 3.40 dargestellten Streudiagramme der E- und A-Staubkonzentration nur kleine Unterschiede zwischen den beiden Messintervallen erkennen. So stimmt der Anteil der Messpunkte mit E:A ≤ 2 mit 87 % im ersten und 85 % im zweiten Messintervall weitgehend überein. In der ersten Phase wird jedoch eine Häufung von Messpunkten < 10 µg/m³ für die A-Fraktion mit einigen 100 µ/m³ für die E-Fraktion beobachtet, die im 2. Messintervall fehlen. Dabei ist die Korrelation mit R² = 61 % im ersten Intervall besser als mit R² = 50 % im zweiten.
0,001 0,01 0,1 1 10
0,001 0,01 0,1 1 10
A-Staub mg/m³
E-Staub mg/m³ 9:33-10:37
R²=61%
0,001 0,01 0,1 1 10
0,001 0,01 0,1 1 10
A-Staub mg/m³
E-Staub mg/m³ 10:37-11:37
R²=50%
Abb. 3.40 Streudiagramme zwischen E- und A-Staub für die Respicon-Auswer-tung während der 1. und 2. Phase der Messung vom 20.1.05.
Nach Tabelle 3.8 wurde während der registrierenden Messungen je ein Filter für die Elektronenmikroskopie beaufschlagt und im TEM bei direkter (Nr. 316) und indirekter Präparation (Nr. 315) ausgewertet. Demnach ergab sich während der Vollgasphase über 10 Minuten eine Konzentration von 79.000 A+A/ml, die etwa mit dem Maximal-wert der ersten CPC-Messung von 54.000 Teilchen/ml übereinstimmte. Entspre-chend wurden über die gesamte Dauer von 132 Minuten 15.000 Teilchen/ml mit dem CPC und 11.000 A+A/ml registriert. Bei PT-Durchmessern von 30 und 22 nm lagen die kugeläquivalenten A+A-Durchmesser im Mittel bei 87 bzw. 60 nm.
Bei der Entstehung von Dieselruß ist die Bildung aggregierter Rußteilchen innerhalb von 1 bis 2 msec noch im Zylinder abgeschlossen (KOCH, 2003). Im Auspuff kann es dann innerhalb von etwa 1 sec noch zur Nukleation gasförmiger Bestandteile wie z. B. von Schwefelsäure in eine ultrafeine Flüssigphase kommen. Bei hoher
Ge-schwindigkeit werden trotz eines mehrfach höheren Masseausstoßes etwa ebenso viele Teilchen emittiert wie bei niedriger Geschwindigkeit. Bei Vollgas sind diese demnach größer und stärker zusammengeballt und nicht mehr kettenförmig wie bei geringer Geschwindigkeit (Abb. 4 und 5 bei KOCH, 2003).
Das Anwachsen der Teilchengröße aufgrund der Koagulation wird durch das Produkt aus Konzentration und Verweildauer bestimmt (Abb. 10 bei KOCH, 2003). So bleibt die Größe von 10 nm-Teilchen bis zu einem Wert von etwa 1 sec * mg/m³ für dieses Produkt annähernd konstant und steigt danach etwa mit der Potenz 1/3 kontinuierlich an, also nach 1.000 sec * mg/m³ auf 100 nm. Bei einer Konzentration von 10 µg/m³ über eine Dauer von 100 sec würde demnach noch kein merklicher Anstieg beobach-tet, obwohl die Anzahlkonzentration von 10 nm-Teilchen bei einer Dichte von 2 g/cm³ dann etwa 107 Teilchen/ml beträgt (Tab. 2.2), also etwa 400 mal größer ist, als der nach Abbildung 3.39 (links) beim ersten Anstieg im Leerlauf erreichte Wert von 25.000 Teilchen/ml. Für Teilchen einer Größe von 100 nm ist bei gleicher Massen-konzentration eine um den Faktor 1/1000 niedrigere AnzahlMassen-konzentration zu erwar-ten. Sie beginnen erst nach etwa 1000 sec * mg/m³ zu wachsen und münden mit diesem Wert in dieselbe Wachstumskurve ein wie die 10 nm-Teilchen. Sowohl mo-nodisperse Aerosole als auch solche mit einer sehr breiten Durchmesserverteilung erreichen durch die Koagulation nach ausreichend langer Wechselwirkung (10.000 sec * mg/m³ oder mehr) eine einheitliche geometrische Standardabweichung (GS = 1,3 bis 1,4).
Die nach Abbildung 3.39 (links) beobachteten Massen- und Teilchenkonzentrationen lassen nach Tabelle 2.2 einen MGM-Durchmesser von 90 nm im Leerlauf und 150 nm bei Vollgas erkennen. Nach Abbildung 2.5 sollten solche Aerosole große %-Anteile ultrafeiner Teilchen besitzen (mehr als 99 % bei 90 nm). Nach der Vollgas-phase sinkt dann die Anzahlkonzentration innerhalb von 36 min bei einer annähernd konstanten Massenkonzentration von 200 µg/m³ von zunächst 52.000 Teilchen/ml auf etwa 1/4 ab, sodass von einer Halbwertszeit von 18 min = 1080 sec auszugehen ist. Das zuvor diskutierte Anwachsen der Teilchen von 10 nm auf 100 nm in 1000 sec * mg/m³ würde bei 200 µg/m³ etwa 5000 sec benötigen. Hierbei käme es zu einer Abnahme der Teilchenkonzentration um den Faktor 1/1000 (oder annähernd 1/210 = 1/1024), sodass in den 5000 sec 10-mal die Halbwertszeit durchlaufen wird, diese also bei 500 sec liegt. Die beobachtete Halbwertszeit von 1080 sec ist zweimal größer. Sie kann durch den bereits zu Beginn größeren mittleren Durchmesser zwi-schen 10 und 100 nm und die damit geringere Koagulationsgeschwindigkeit erklärt werden. Auch die annähernd konstante Massenkonzentration trotz einer mit wach-sender Verweildauer abnehmenden Teilchenkonzentration kann bei Teilchengrößen im Bereich < 100 nm erwartet werden. So muss aufgrund der in diesem Bereich glei-chermaßen geringen Diffusions- und Sedimentationsabscheidung mit einer beson-ders geringen Geschwindigkeit für die Abscheidung an Grenzflächen im Bereich von 10-3 bis 10-4 cm/sec gerechnet werden (Abb. 8 bei KOCH, 2003).