Experiment in einer Expositionskammer

3.6.2.1 Massenkonzentration und registrierende Messung

Am 2.8.2006 wurden Luftproben während eines Experimentes in einer Expositions-kammer mit einem Rauminhalt von 17,5 m³ genommen, in der 3 Zigarettenraucher gemeinsam 5 mal je 1 Zigarette rauchten. Die Massenkonzentrationsbestimmungen erfolgten an zwei GSP-Filtern sowie an einem Satz von 3 Respicon-Filtern. Die Teil-chenkonzentration wurde mit CPC1 in der Kammer und mit CPC2 vor der Kammer registriert. Sie konnte mit den ebenfalls in der Kammer mit dem Respicon erfassten Massenkonzentrationen verglichen werden, Abb. 3.62.

TEM-Analyse A+A/ml PT/ml

31.8.06 Diskothek 22:10 4:11 50 513.333 379.318 22.950 448.900 1.578.050

Konzentration (Teilchen/cm³)

16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40

Zeit

15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45 15:50 15:55 16:00 16:05 16:10 16:15

mg/m³

3 freiwillige Raucher in einer Kammer Fünfmaliges Rauchen von je einer Zigarette

Öffnen der

16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40

Zeit

15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45 15:50 15:55 16:00 16:05 16:10 16:15

mg/m³

16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40

Zeit

15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45 15:50 15:55 16:00 16:05 16:10 16:15

mg/m³

3 freiwillige Raucher in einer Kammer Fünfmaliges Rauchen von je einer Zigarette

Öffnen der Kammer

Abb. 3.62 Vergleich zwischen der am 2.8.06 in der Kammer mit dem CPC regist-rierten Teilchenkonzentration und der mit dem Respicon gemessenen Massenkonzentration.

Das in der Kammer betriebene CPC1 zeigt mit dem Beginn des ersten der 5 Rauch-phasen innerhalb von einer Minute einen raschen Anstieg der Teilchenkonzentration von ca. 5000 Teilchen/cm³ auf ca. 500.000 Teilchen/cm³. Während des weiteren Ver-laufs der 5 Rauchphasen von jeweils etwa 5 Minuten Dauer resultierten dagegen nur relativ geringe Veränderungen der Teilchenkonzentration zwischen etwa 500.000 und 1.000.000 Teilchen/cm³. Erst beim Öffnen der Kammer nach der 5. Phase erfolg-te bis zum Ende der Beobachtung ein etwas stärkerer Rückgang auf ca. 200.000 Teilchen/cm³.

Mit dem Respicon wurde dagegen über die 5 Rauchphasen ein beständig kumulie-render Anstieg des Untergrundes von z. B. ca. 2 mg/m³ für die E-Fraktion nach dem ersten Rauchintervall auf ca. 6 mg/m³ nach dem letzten Intervall beobachtet. Wäh-rend dieser Rauchintervalle war dieser Untergrund jedoch insbesondere für die E-Fraktion von scharfen Spitzenkonzentrationen etwa um eine Größenordnung über dem Grundniveau überlagert. Anders als diese Spitzenkonzentrationen nahm der Untergrund für die A- und T-Fraktion erstaunlicherweise deutlich höhere Werte an als für die E-Fraktion, obwohl A- und T-Fraktion als Teilmengen der E-Fraktion gelten müssen. Offenbar wird dieses widersprüchliche Ergebnis durch die Kalibrierung des Tyndallometerausschlags anhand der Beaufschlagung der Filter verursacht. Wäh-rend nämlich für den mittleren Tyndallometerausschlag das Verhältnis zwischen der E-und der A-Fraktion zunächst 1,5:1 beträgt, sinkt es durch die Kalibrierung auf die Massenkonzentration ab 1,01:1 ab. Angesichts der in Tabelle 3.11 ausgewiesenen Filterbelegung von 820 µg für die A-, 107 µg für die T- und 39 µg für die E-Fraktion

kann es sich hierbei nicht maßgeblich um die Unsicherheit der Wägemethode han-deln, zumal das „niedrige“ Ergebnis von 4,6 mg/m³ für die E-Fraktion des Respicon durch die beiden GSP-Messungen mit 3,0 mg/m³ und 3,3 mg/m³ bei Belegungen von 420 und 393 µg sogar noch unterschritten wird. Auch erfährt dieser überraschende Effekt eine Bestätigung durch die beiden Messungen in der Diskothek. Eine Erklä-rung könnte darin bestehen, dass die flüchtigen Anteile des Zigarettenkondensates bevorzugt in den größten Partikeln der E-Fraktion enthalten sind und sich demzufol-ge während der über mehrere Tademzufol-ge andauernden Konditionierung der Filter für die Wägung verflüchtigen können. Hinweise auf unterschiedlich beständige Komponen-ten in den Kondensattröpfchen der Fraktionen des ZigaretKomponen-tenrauches finden sich auch bei BAKER (1999).

Der schnelle Rückgang der Konzentrationsspitzen des E-Staubes und das Fehlen solcher Spitzen bei der Teilchenkonzentration können als Hinweise auf große Kon-densattröpfchen und deren spezielles Agglomerations- und Sedimentationsverhalten in Verbindung mit der Korngrößenabhängigkeit der Streulichtmessung interpretiert werden (THORPE, 2006). Die Beobachtung eines kumulativen Effektes nur bei der Massen- aber nicht bei der durch die kleineren Partikel dominierten Teilchenkonzent-ration überrascht nicht. Sie beruht auf einer Abnahme der TeilchenkonzentTeilchenkonzent-ration durch Zusammenlagerung, von der die Massenkonzentration nicht beeinflusst wird.

Entsprechend wird für Dieselruß bei Abgasuntersuchungen an Dieselfahrzeugen ein annähernd konstanter Verlauf der Massenkonzentration bei gleichzeitig deutlich ab-fallender Teilchenkonzentration beobachtet, Abschnitt 3.3.

3.6.2.2 Elektronenmikroskopie des Zigarettenrauchaerosols

Die Abbildungen 3.63 und 3.64 zeigen raster- und transmissionselektronenmikrosko-pische Aufnahmen der bei dem Kammerversuch beaufschlagten Filter. So lassen die REM-Aufnahmen (Abb. 3.63) erwarten, dass die Massenbelegung des Filters von 420 µg aus wenigen relativ großen meist flockigen Partikeln besteht. Dabei bleibt es wegen des Fehlens einer Vergleichsmessung ohne Zigarettenrauch fraglich, inwie-weit diese Partikel vollständig dem Zigarettenrauch zugeordnet werden können oder ob stattdessen ein Teil der Massenkonzentration von 3 mg/m³ bereits aufgrund des Aufenthalts von 3 Personen in der engen Kammer zu erwarten ist. Außerdem ist zu bedenken, dass eine Belegung des Filters mit 420 µg bei einer Dichte von 2 g/cm³ einer gleichmäßigen Schicht mit einer Dicke von etwa 1 µm entsprechen würde. Die beobachtete Partikelbelegung erscheint aber geringer. Anders als z. B. beim Hartlö-ten ergibt auch die Schrägansicht bei hoher Vergrößerung (unHartlö-ten rechts) keine Hin-weise auf zusätzliche Strukturen, die aus verlaufenen Kondensattröpfchen entstan-den sein könnten. Allerdings lässt die Aufnahme bei 10.000facher Vergrößerung und senkrechter Blickrichtung (unten links) zahlreiche verstopfte Kernporen erkennen. Da die Fläche aller Kernporen etwa 10 % der Filterfläche ausmacht und damit das Vo-lumen aller Kernporen etwa 10 % des FiltervoVo-lumens entspricht, können solche Ver-stopfungen einen Massezuwachs von bis zu 10 % der Filtermasse von mindestens ca. 4 mg und somit auch einen Großteil der beobachteten Filterbelegung verursa-chen.

Abb. 3.63 REM-Aufnahmen von Filter 487 bei 100-, 1000- und 10.000facher Ver-größerung sowie (unten rechst) bei Einfall des Elektronenstrahls unter ca. 60° gegen die Oberflächennormale.

Im Vergleich zu dem mit CPC1 in der Kammer resultierenden Mittelwerten von 503.000 Teilchen/cm³ ergab die TEM-Analyse lediglich Konzentrationen von 208 A+A/cm³ und 8.330 A+A/cm³, je nachdem ob nur die relativ kleinen aber kon-trastreichen und stark aggregierten oder auch die größeren weniger stark aggregier-ten kontrastarmen Strukturen berücksichtigt wurden, Abb. 3.64.

Abb. 3.64 TEM-Aufnahmen von Filter 62-487 bei direkter Präparation. Bereits bei 200facher Vergrößerung sind neben einzelnen µm-großen Partikeln fein verteilt auch kleinere flockige Strukturen erkennbar. Bei 10.000- und 40.000facher Vergrößerung zeigt sich, dass es sich hierbei um A+A handelt, die sich aus ultrafeinen PT zusammensetzen. Nebenein-ander werden hierbei A+A aus relativ schwach (unten links) und selte-ner stärker kontrastierenden PT (unten rechts) beobachtet. Auch die stärker kontrastierenden PT weisen in ihren Elementspektren im Allge-meinen keine Elementpeaks einer Ordnungszahl ≥ 11 (Na) aus. So lässt das Spektrum der A+A nur Spuren von Fe erkennen.

Dieser Unterschied im Kontrast und in der Größe der PT ist gut mit der Annahme vereinbar, dass es sich einerseits um Feststoffpartikel und andererseits um Rück-stände zerlaufener Kondensattröpfchen mit geringer Dicke handeln könnte. Letztere werden weit häufiger beobachtet als die kontrastreicheren Feststoffpartikel, können aber zumindest dann, wenn sie vereinzelt auftreten, nicht sicher von Artefakten der Präparation unterschieden werden. Da sie jedoch relativ häufig beobachtet wurden und da auch die Beaufschlagung von TEM-Netzchen mit Zigarettenrauch durch Dif-fusionsabscheidung das ganz überwiegende Vorhandensein von Aerosoltröpfchen eindrucksvoll belegt (vgl. Abb. 3.66 und 3.67 sowie bei RÖDELSPERGER et al., 2003b, Abb. 4.12), kann die Herkunft eines Großteils dieser Strukturen aus dem Zi-garettenrauch als plausibel gelten. Hinzu kommt, dass selbst die Konzentration die-ser kontrastschwachen Strukturen lediglich bei 1/60 der mit dem CPC gemessenen Teilchenkonzentration liegt. Dabei muss allerdings auch damit gerechnet werden, dass die Herstellung des Transmissionspräparates aus dem Kernporenfilter unter Einwirkung von Chloroformdampf viele dieser Strukturen zerstört.