Reinigung von Abgasen

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Reinigung von Abgasen

Dieses umfassende Lehr- und Praxishandbuch stellt die Abgasreinigung nach der thermischen Abfallbehandlung ausührlich dar, hebt deren Besonderheiten hervor und erläutert die Unterschiede zu Abgasreinigungssystemen nach der thermischen Behandlung anderer Brennstoffe.

Behandelt werden die Herkunft und Wirkung von verbrennungscharakteristischen Luftschadstoffen, deren Entstehungsme- chanismen im Verbrennungsprozess, Primär- und Sekundärmaßnahmen zu ihrer Reduzierung, Verfahren zur Emissionsmes- sung sowie Entsorgungsverfahren für Rückstände aus der Abgasreinigung. Insbesondere die Vor- und Nachteile von Verfahrensschritten und deren sinnvolle Kombination bei unterschiedlichen Randbedingungen werden herausgestellt.

Zudem enthält das Buch Informationen und Analysen zur Emissionssituation, zu Betriebsmittelverbräuchen und Rückstands- mengen sowie zur Kostenstruktur von thermischen Abfallbehandlungsanlagen in Abhängigkeit des eingesetzten Abgasreini- gungssystems. Darüber hinaus werden Informationen zu aktuellen rechtlichen, wissenschaftlichen und technologischen Entwicklungen und deren Einfluss auf die Abgasreinigung gegeben. Eine Auswertung des Status quo der Abgasreinigung nach der Abfallverbrennung in Deutschland, Ausführungsbeispiele zu den möglichen Aggregatekombinationen und typische Betriebswerte aus der Anlagenpraxis runden den Inhalt ab.

Damit ist das Werk zugleich ein Leitfaden zur Planung des für einen Standort und eine Abscheidungsaufgabe schlüssigen Gesamtkonzepts zur Abgasreinigung. Das Buch richtet sich an Studierende an Fach- und Hochschulen, an Entscheidungsträ- ger, Planer und die betriebliche Praxis, beispielsweise wenn der Neubau eines Systems oder die Implementierung von Optimierungsmaßnahmen durchgeführt werden soll.

Reinigung von Abgasen

– unter besonderer Berücksichtigung der thermischen Abfallbehandlung – Autor: Margit Löschau

Erschienen: 2014

ISBN: 978-3-944310-13-8 Hardcover: 476

Preis: 50,00 EUR

Transformationen unterhalb der Wolken

Emissionen Transmissionen Depositionen / Immissionen Ferntransport

Transformationen innerhalb der Wolken Ausregnung Nebelwirkung

Trockene Deposition

Nährstoff-f- auswaschung auswaschung

Oberflächen- abfluss abfluss

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Charakterisierung und Messung von ultrafeinen Partikeln (Nanomaterialien)

Sabine Plitzko und Nico Dziurowitz

1. Ultrafeine Stäube und Nanomaterialien – Versuch einer Definition ...369

2. Messgrößen zur Beschreibung von Fein- und Ultrafeinstäuben und angewandte Messtechnik zur Bestimmung der inhalativen Exposition ...371

3. Möglichkeiten und Grenzen der Messtechnik ...372

4. Exposition gegenüber Nanomaterialien an Arbeitsplätzen ...374

5. Spezialfall der faserförmigen (Nano)Materialien ...376

6 Belastungen gegenüber ubiquitären Ultrafeinstäuben ...377

7. Literatur ...381 Der Bericht gibt einen Überblick über die Ermittlung von ultrafeinen Partikeln und Nanomaterialien sowie eine Zusammenfassung der Ergebnisse orientierender Exposi- tionsmessungen. Da es sich um einen Übersichtsbeitrag handelt, wird an dieser Stelle auf teilweise bereits veröffentlichte Texte hingewiesen.

1. Ultrafeine Stäube und Nanomaterialien – Versuch einer Definition

Stäube sind feste, sehr kleine Teilchen (Partikel), die natürlich oder durch Arbeitsprozes- se entstehen bzw. aufgewirbelt werden und in der Luft schweben können. Gesundheit- lich relevant ist einerseits der Schadstoffgehalt des Staubes, aber insbesondere die Größe der Staubpartikel ist für das Eindringen des Staubes in den Atemtrakt verantwortlich.

Aus umweltrelevanter Sicht erfolgt daher eine PM-Kategorisierung (Particulate Matter), wobei der Feinstaub mit PM₁₀ (Partikel deren aerodynamischer Durchmesser weni- ger als 10 µm betragen), PM_2,5 und PM_1,0 beschrieben wird. Aus arbeitshygienischer Sicht erfolgt eine Einteilung entsprechend der DIN EN 481 in einatembare Stäube (d₅₀ < 100 µm) und alveolengängige Stäube (d₅₀ < 4 µm) [6].

Die ultrafeinen Stäube werden allgemein mit einer Partikelgröße kleiner als 0,1 µm bzw.

100 nm beschrieben. Hierbei können die ultrafeinen Stäube mit natürlichen Ursprung (Salzaerosole, Partikel aus Vulkanismus) und unbeabsichtigt hergestellte ultrafeine Stäube

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(Verkehr, Abrieb, Schweißrauche) unterschieden werden. Eine weitere Kategorie sind die beabsichtigt hergestellten, ultrafeinen Stäube, die umgänglich als Nanomaterialien bezeichnet werden. Allerdings liegt dafür momentan noch keine rechtsverbindliche Definition vor. Nach einer Empfehlung der Europäischen Kommission von 2011 werden aber neben diesen hergestellten Materialien auch natürliche und bei Prozessen anfallende Materialien mit zu den Nanomaterialien gezählt [8]. Laut der Empfehlung sind Nanomaterialen feste Partikel in ungebundenem Zustand, als Aggregat oder Ag- glomerat, bei dem mindestens fünfzig Prozent der Partikel in der Anzahlgrößenvertei- lung ein oder mehrere Außenmaße im Bereich von 1 nm bis 100 nm haben. Darunter fallen somit die Nanopartikel (in drei Dimensionen nanoskalig), die Nanofasern (in zwei Dimensionen nanoskalig), die Nanoplättchen (in einer Dimensionen nanoskalig) sowie das nanostrukturierte Material mit den Aggregaten und Agglomeraten.

Die Bilder 1 und 2 zeigen rasterelektronenmikroskopische Bilder beispielhafter Nano- materialien.

2 µm 70° Probenkippung 2 µm

Bild 1: Unbeabsichtigt hergestellte ultrafeine Stäube – Rußpartikel mit Salzkristall (links) und Schweißrauche (rechts)

1 µm 3.0kV 5.9 mm x 3.50k SE (U) 10 um

Bild 2: Beabsichtigt hergestellte Nanomaterialien – Nanosilber (links) und Titandioxidfasern (rechts)

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Laut einer Umfrage zu Tätigkeiten mit Nanomaterialien in Deutschland werden in Produktionsbetrieben hauptsächlich die typischen alten Nanomaterialien wie SiO₂(amorph), TiO₂ und Carbon Black hergestellt bzw. bearbeitet [14].

Die TOP 5 der Forschung sehen etwas anders aus. Im Labormaßstab werden hier haupt- sächlich Multiwall Carbon Nanotubes (MWCNT) und TiO₂ hergestellt oder verwendet, neben Silbernanopulver, Goldnanopartikel und weiteren Kohlenstoffverbindungen.

Kritische Fragen zur Exposition gegenüber Nanomaterialien und deren Bewertung wurden in letzter Zeit immer drängender. Diese Besorgnis wurde bereits 2006 mit einer behördlichen Forschungsstrategie aufgegriffen und Themen zur Sicherheitsforschung wie Messung und Bewertung von Nanomaterialien, toxikologische Fragestellungen und insbesondere Schutzmaßnahmen bearbeitet [11].

2. Messgrößen zur Beschreibung von Fein- und Ultrafeinstäuben und angewandte Messtechnik zur Bestimmung der inhalativen Exposition

Die Kornbeschaffenheit des Staubes spielt bei seinem Eindringen in den menschlichen Atemtrakt und seiner Ablagerung eine wichtige Rolle und muss bei der Messung, Bewertung und bei den relevanten Schutzmaßnahmen berücksichtigt werden. Zur Kornbeschaffenheit zählen die Morphologie, welche hauptsächlich bei den faser- förmigen Stäuben relevant ist, und die Korngröße. Da Feinstäube abhängig von der Schwerkraft und Dichte sind, wird die Deposition im Atemtrakt insbesondere durch Sedimentation und Impaktion bestimmt. Der aerodynamische Äquivalentdurchmesser ist dabei entscheidend und die wirkrelevante Messgröße ist die Masse. Bei der Exposi- tionsbestimmung von sphärischen Feinstäuben wird deshalb die Massenkonzentration ermittelt und es erfolgt eine stoffliche Charakterisierung. Faserförmige Stäube werden entsprechend ihrer Morphologie gezählt und bewertet.

Bei den Ultrafeinstäuben inklusive der Nanomaterialien wird die Eigenbewegung der Partikel durch die Brown´sche Molekularbewegung bestimmt. Damit sind die Teilchen unabhängig von Schwerkraft und Dichte und die wirkrelevante Messgröße ist die Par- tikelanzahl, bestimmt über den Mobilitäts- (oder Diffusions-) Äquivalentdurchmesser der Partikel. Damit scheidet die traditionelle massebasierte Staubmesstechnik für die Ermittlung der inhalativen Exposition gegenüber nanoskaligen Stäuben inklusive der Nanomaterialien aus und Messgeräte, die den Äquivalentdiffusionsdurchmesser als Grundlage für die Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration wählen, werden favorisiert. Die folgende Tabelle 1 gibt einen Überblick über etablierte und bereits erprobte Messtechnik.

Bei den in der Tabelle genannten Messsystemen SMPS, FMPS, NSAM und NAS ver- schiedener Firmen handelt es sich um kompakte, stationäre Geräte. In letzter Zeit sind aber auch portable, an der Person tragbare Geräte wie DISCmini und Partector hinzu- gekommen, um auch individuelle Expositionen am Arbeitsplatz exakt zu erfassen. Im Rahmen von BMBF geförderten Forschungsprojekten (Förderkennzeichen 03X0105E und 03X0127B) konnten sowohl die stationären als auch portablen Messgeräte

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hinsichtlich ihrer Eignung überprüft werden [1, 9]. Insbesondere die Kondensations- partikelzähler CPC 3007 zeigten dabei eine gute Vergleichbarkeit der Partikelanzahl- konzentrationen bis 80.000 P/cm³. Die Abweichungen der Partikelanzahlkonzentra- tionen mit verschiedenen SMPS Systemen lag bei etwa ±20 % und die Ergebnisse der Größenbestimmung für Aerosole mit Modaldurchmesser ≤ 100 nm sind ebenfalls gut miteinander vergleichbar. Bei größeren Partikeln ist diese Abweichung nur geringfügig.

Generell zeigten die SMPS Messsysteme der Fa. GRIMM und TSI gute Übereinstim- mungen, wenn eine Software bei den GRIMM Geräten ab Version 1.2.1 gewählt wurde.

Tabelle 1: Etablierte Messsysteme zur Bestimmung der inhalativen Exposition gegenüber Ultra- feinstäuben und Nanomaterialien

Messgerät Messgröße Messbereich

SMPS Partikelgröße und Partikelanzahlkonzentration 10 nm bis 1 μm (DMA abhängig) FMPS Partikelgröße und Partikelanzahlkonzentration 6 nm bis 560 nm

CPC 3007 Partikelanzahlkonzentration 10 nm bis 1 μm

NSAM Lungendeponierte Partikeloberflächenkonzentration 10 nm bis 1 μm DISCmini Mittlere Partikelgröße und Partikelanzahlkonzentration 10 nm bis 500 nm

(Modalwert 200 nm)

Partector Lungendeponierte Partikeloberfläche 10 nm bis 10 μm

NAS Sammelsystem (anschließend REM/TEM)

SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer), FMPS (Fast Mobility Particle Sizer), CPC 3007 (Condensation Particle Counter), NSAM (Nanoparticle Surface Area Monitor), NAS (Nanometer Aerosol Sampler)

3. Möglichkeiten und Grenzen der Messtechnik

Allerdings können mit den Messgeräten zur Bestimmung der zeitlich aufgelösten Par- tikelanzahlkonzentration wie SMPS, FMPS oder CPC oder auch mit dem DISCmini und Partector keine stofflichen Unterscheidungen und keine Trennung zwischen festen und flüssigen Aerosolen vorgenommen werden. Damit ist eine Differenzierung von zu messenden Nanomaterialien gegenüber den ubiquitär vorkommenden ultrafeinen Aerosolen wie Dieselmotoremissionen, Salzaerosole oder Partikel aus dem Hausbrand, nicht möglich. Im Arbeitsbereich sind neben den typischen ultrafeinen Aerosolen von Schweißrauchen oder Schleifprozessen auch Emissionen von Elektro- und Zweitaktmo- toren, Emissionen aus heißen (gefetteten) Metallteilen, Emissionen aus Brennöfen usw.

als Hintergrund zu berücksichtigen (Bild 3). Hier können nur spezielle Messstrategien Hilfestellungen geben, wie trotz der ubiqitär vorhandenen Hintergrundkonzentration eine Expositionsabschätzung gegenüber den speziellen Nanomaterialien durchführbar ist [12].

Die speziellen Messstrategien beruhen auf dem Konzept eines gestuften Messansatzes, der mit detaillierten Standardarbeitsanweisungen komplettiert wurde [2]. Sollen mor- phologisch relevante Materialien (z.B. MWCNT) ermittelt werden oder ist die Expositi- on von Nanomaterialien am Arbeitsplatz gegenüber den Hintergrundkonzentrationen

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nicht eindeutig zu differenzieren, muss neben der Ermittlung der Anzahlkonzentra- tionen auch eine Sammlung der Aerosole und eine spätere Analyse erfolgen. Dazu werden momentan hauptsächlich Elektropräzipitatoren wie das NAS (Tabelle 1) oder Thermalpräzipitatoren (personengebunden, z.zt. nur als Prototyp vorhanden) einge- setzt. Mit der Sammlung der Aerosole auf Siliziumwafer und einer anschließenden rasterelektronenmikroskopischen Auswertung sind Aussagen zur Morphologie der Nanomaterialien und der stofflichen Zusammensetzung möglich.

Trennschleifen

zeitlicher Verlauf 15:21

350.000

300.000

250.000

200.000

150.000

100.000

50.000

0

15:28 15:36 15:43 15:50

Schweißrauche

ältere, gasbetriebene Öfen

gasbetriebene Öfen Partikelanzahlkonzentration (orientierend)

#/cm³

Bild 3: Messungen möglicher Emittenten von Ultrafeinstäuben

Allerdings ist damit ein sehr großes Mess- geräteequipment für eine aussagekräftige Expositionsbewertung erforderlich, insbesondere dann, wenn es sich um ge- sundheitlich relevante Nanomaterialien handelt (Bild 4). Außerdem müssen diese Messungen als sehr zeit- und kosteninten- siv eingestuft werden.

Bild 4: Messungen der Exposition gegen- über Ultrafeinstäuben an Arbeits- plätzen

(7)

4. Exposition gegenüber Nanomaterialien an Arbeitsplätzen

Die oben erwähnten Messstrategien schreiben eine Berücksichtigung der Hinter- grund- bzw. Außenluftkonzentrationen an den jeweiligen Arbeitsplätzen vor. Eine Zusammenstellung der von der BAuA (Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeits- medizin) spontan durchgeführten Einzelmessungen (n = 28) in Außenbereichen von Arbeitsplätzen zeigt eine Schwankungsbreite der Partikelanzahlkonzentrationen von etwa 4.000 #/cm³ bis 22.000 #/cm³. Der arithmetische Mittelwert liegt bei 10.800 #/cm³ und der Median bei 9860 #/cm³. Berücksichtigt wurden Messungen zu unterschiedlichen Tages- und Jahreszeiten sowie Witterungsbedingungen, die länger als zwei Stunden liefen. Gemessen wurde mit einem CPC 3007 oder einem SMPS (Fa. GRIMM Aerosoltechnik) im städtischen Hintergrund. Die Schwankungsbreite der Partikelanzahlkonzentrationen innerhalb der einzelnen Messungen ist allerdings sehr groß. In Abhängigkeit von Wettereinflüssen und natürlich dem Probenahmeort konnten kurzzeitige Spitzenkonzentrationen mit über 200.000 #/cm³ gemessen werden.

Partikelanzahlkonzentration

#/cm³

Außenluftmessungen (n=28) 25.000

20.000 15.000 10.000 5.000 0

Bild 5:

Außenluftmessungen der BAuA (städtischer Hintergrund)

18.000 16.000 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000

16:48 19:12 21:36 00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 Außenmessung

Messung am Arbeitsplatz Partikelanzahlkonzentration

#/cm³

zeitlicher Verlauf

Bild 6:

Zeitlicher Verlauf der Partikel- anzahlkonzentration in der Au- ßenluft und im Arbeitsbereich – Parallelmessung (beispielhaft)

(8)

Meist folgt der zeitliche Verlauf der Partikelanzahlkonzentration bei direkter Zuluft in den Innenräumen und an Arbeitsplätzen dem zeitlichen Verlauf der Außenluftkon- zentration, wenn keine weiteren Emittenten von Ultrafeinstäuben im Innenbereich auftreten (Bild 6).

Häufig müssen aber bei den Arbeitsplatzmessungen weitere Emittenten im Arbeitsbe- reich berücksichtigt werden, wie beispielhaft eine Messung des zeitlichen Verlaufs der Partikelanzahlkonzentration in Bild 7 der inhalativen Exposition gegenüber Nanomate- rialien an Arbeitsplätzen zeigt. Zu erkennen ist der Prozessbeginn gegen 15:00 Uhr mit einem Anstieg der Partikelanzahlkonzentration über 180.000 #/cm³ am Messpunkt 2.

Auch am Messpunkt 1 wird ein Ansteigen der Anzahlkonzentration beobachtet, allerdings wesentlich geringer als am Messpunkt 2. Am eigentlichen Arbeitsplatz ist dagegen keine signifikante Erhöhung der Partikelanzahlkonzentration zu beobachten.

Im Verlauf des Prozesses sinkt an allen Messpunkten die Konzentration, insbesondere nach dem Zuschalten der Absauganlage.

#/cm³

Zeitverlauf 260.000

240.000 220.000 200.000 180.000 160.000 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0

13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30

SMPS Messpunkt 1

Hintergrund Messung 0

Messung 1 Messung 1 mit Absaugung

CPC 3007 Messpunkt 2 CPC 3007 PC Arbeitstisch

Bild 7: Zeitlicher Verlauf der Partikelanzahlkonzentration während eines Arbeitsprozesses Gemessen wurden mit dem SMPS und dem CPC 3007 natürlich die ultrafeinen Partikel.

Allerdings musste die Frage während der Arbeitsplatzmessung geklärt werden, ob bei dem Prozess auch die verarbeiteten Nanomaterialien freigesetzt werden. Dabei gaben

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die Messsysteme keine weitere Hilfestellung. Eine mit dem NAS auf Siliziumwafern gesammelte Probe wurde deshalb anschließend rasterelektronenmikroskopisch ausgewertet. Die Analyse ergab keinen Hinweis auf während des Prozesses freigesetzte Nanomaterialien bzw. Produktpartikel. Der Anstieg der Partikelanzahlkonzentration musste durch weitere Emittenten verursacht worden sein, vermutlich durch die heißen gefetteten Metallteile der Produktionsanlage.

Aus ersten orientierenden Expositionsmessungen der BAuA kann folgender zusammen- fassender Überblick zu den Ergebnissen der Arbeitsplatzmessungen gegeben werden:

• Produktpartikelunabhängige Emittenten im Arbeitsbereich sind zu berücksichti- gen (z.B. Rußpartikel, Schweißrauchpartikel, Ölnebel usw.).

• Eine signifikante Erhöhung der Anzahlkonzentration bei sachgerechter Arbeit im Umgang mit Nanomaterialien (z.B. im geschlossenen System, Laborabzug) konnte zzt. noch nicht nachgewiesen werden. Dabei wurde der Schichtbezug entsprechend der TRGS 402 berücksichtigt (TRGS 402, 2010). Die faserförmigen Nanomateria- lien sind dabei extra zu betrachten, siehe Punkt 5.

• Trotzdem können nanostrukturierte Materialien (Partikelagglomerate) freigesetzt werden, wie Filter- und Liegestaubproben zeigen.

• Die Freisetzung der Nanomaterialien erfolgt z.B. durch Um- und Abfüllen, Dis- pergieren, Reinigungs- und Wartungsarbeiten. Meist können dabei kurzzeitige Spitzenkonzentrationen der Partikelanzahlkonzentration beobachtet werden, die aber keine Relevanz für einen Schichtbezug haben.

5. Spezialfall der faserförmigen (Nano)Materialien

Auf die besondere Gruppe der faserförmigen (Nano)materialien muss an dieser Stelle gesondert eingegangen werden, da die verschiedenen Fasermorphologien aufgrund ihrer Geometrien vermutlich auch ein unterschiedliches Wirkpotential zeigen [7].

Diefolgenden Bilder vermitteln einen Eindruck dieser Formenvielfalt von faserförmi- gen (Nano)Materialien.

3.0kV 19.9 mm x 4.00k SE (L) 10 um SU8030 3.0kV 6.5 mm x 10.0k SE(U) 5.00 um

1 µm

Bild 8: Morphologievielfalt – kompaktes CNT Agglomerat, einzelne CNT Faser und Cluster (von links nach rechts)

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Die BAuA konnte in einem Forschungsprojekt (Förderkennzeichen 03X0114C) ver- schiedene käuflich erworbener MWCNT u.a. hinsichtlich ihrer Morphologie untersu- chen. Während der Untersuchung zeigten sich neben den typischen Agglomeraten auch offene und geschlossene Cluster sowie einzelne Fasern/Tubes. Ein allgemein bekannter Zusammenhang zwischen Fasermorphologie und toxischen Eigenschaften wird als Faserprinzip bezeichnet. Damit sind insbesondere die Fasern als kritisch zu werten, die der Faser-Definition der WHO genügen, d.h. Fasern mit einem Durchmesser unter 3 µm, einer Länge über 5 µm und mit einem Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von über 3:1. Es sollten vor allem einzelne Fasern kritisch betrachtet werden und auch offene Cluster, bestehend aus losen einzelnen Fasern, die dieser Faserdefinition genügen (Bild 8 – mittlere und rechte Seite) [13].

Obwohl bei diesen Diskussionen konsequent nach Morphologieformen unterschieden werden muss, werden bei einigen MWCNT Parallelen zur Asbestproblematik deutlich.

Hier ist ein großes gesundheitliches Risiko beim Umgang mit diesen Materialien mög- lich, auch die umweltrelevanten Sekundäremissionen dürfen in diesem Zusammenhang nicht vernachlässigt werden.

Ein weiteres Kriterium wird zukünftig, bei einer wirkrelevanten Betrachtung der faserförmigen (Nano)Materialien, die Rigidität der einzelnen Fasern sein, für das es aber momentan noch keinen Bewertungsmaßstab gibt. Überhaupt müssen die offenen Fragen zur Messtechnik und Analytik für faserförmige (Nano)Materialien in diesem Zusammenhang neu geklärt werden, nicht zuletzt wegen der zwingend notwendigen morphologischen Charakterisierung der unterschiedlichen Faserformen.

6. Belastungen gegenüber ubiquitären Ultrafeinstäuben

Die Außenluft- und Hintergrundkonzentrationen sind bei den Messungen von Nano- materialien zu berücksichtigen, denn die Ultrafeinstäube sind ubiquitär. Einen kurzen Einblick über die Höhe der Belastungen gegenüber den Ultrafeinstäuben zeigt das Bild 9. Vorgestellt werden gemittelte Partikelanzahlkonzentrationen, die mit einem CPC 3007 gemessen, einen ersten orientierenden Überblick über die ubiquitären Belastungen gegenüber den Ultrafeinstäube geben sollten. Auffällig ist die sehr hohe Anzahlkonzentration in einer Diskothek mit etwa 750.000 #/cm³. Hier wurden bei den Messungen sowohl der Raucherbereich kontaktiert als auch die flüssigen Aerosole eines Verneblers mit erfasst, welche der Kondensationspartikelzähler mit aufzeichnet und für die hohen Konzentrationen verantwortlich ist.

Die Ultrafeinstäube im Gaststättenbereich wurden vordergründig durch mehrere Rau- cher verursacht. Aber auch Ruß von brennenden Kerzen und eventuell Emissionen aus Pizzaöfen können die Partikelanzahlkonzentration in den Gaststätten stark ansteigen lassen. Dagegen erscheint das Raucher(büro) mit einer mittleren Partikelanzahlkon- zentration von 32.700 #/cm³ eher gering. Allerdings wurde dabei ein 8-stündiger Arbeitstag eines einzelnen Rauchers, bei ständig geöffnetem Fenster, gemittelt. Die Spitzenkonzentrationen während des Konsums einer Zigarette stiegen dabei auf über 112.000 #/cm³.

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Die Autobahnfahrt mit 76.500 #/cm³ und die Messung im städtischen Bereich (25.000 #/cm³) decken sich mit den vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) genannten und gemittelten Werten der Partikelanzahlkonzentrationen (Tabelle 2).

#/cm³

25.000 76.500 32.700

745.000

städtischer Bereich

Autobahn- fahrt

Diskothek Gaststätte Raucher-

bereich

Raucher- (büro) 229.500 800.000

700.000 600.000 500.000 400.000 300.000 200.000 100.000 0

Bild 9:

Messungen der Ultrafeinstäube in öffentlichen Bereichen und in einem Raucher(büro)

Standort Anzahl

#/cm³

Nähe Straße oder Autobahn 6.000 bis 50.000 Städtischer Hintergrund 4.000 bis 20.000

Stadtrand 3.000 bis 7.000

Ländlich (Flachland) 1.500 bis 5.000 Ländlich (Mittelgebirge) 1.000 bis 2.500

Hochgebirge 500 bis 1.500

Auch die Messungen der Außenluftkonzentrationen der BAuA (Bild 5) spiegeln genau den Größenbereich der Partikelanzahlkonzentration vom städtischen Hintergrund wieder.

Bild 10:

Belastungen gegenüber Ultra- feinstäuben in Berlin (Radtour mit einem DISCmini)

Quelle: Birmili, W. et al. (2006) Räumlich- zeitliche Verteilung, Eigenschaften und Ver- halten ultrafeiner Aerosolpartikel (< 100 nm) in der Atmosphäre, sowie die Entwicklung von Empfehlungen zu ihrer systematischen Überwachung in Deutschland. 93 S., UBA- Texte, 26/06. http://www.umweltdaten.de/

publikationen/fpdf-l/3114.pdf.

Tabelle 2: Belastungen gegenüber Ultrafeinstäuben in unterschiedlichen öffentlichen Bereichen

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Bild 11: Zeitlicher Verlauf der Partikelanzahlkonzentration über eine Woche gemittelt

Quelle: Birmili, W., Nano-Symposium Berlin 2009, Entstehung, Vorkommen und Variabilität atmosphärischer Nanopartikel in Deutschland, Vortrag

16 12

4 8 3,0 2,0 1,0

10³ cm^-3 N[4; 10]

0,0 10³ cm^-3

12 8 4

10³ cm^-3 N[30; 300]

0,0 10³ cm^-3 0.3 0.2 0.1

N[300; 800]

0.0 M in veh h^-1

N[10; 30]

0,0

800 600

200

Mo Di Mi Do Fr Sa So

400

0,0

passanger car-like lorry-like (*10) Street canyon (L-Eiba)

Background (L-IfT)

Um den städtischen Hintergrund von Berlin orientierend zu ermitteln, erfolgte eine Radtour mit einem DISCmini u.a. an stark befahrenen Straßen (B1/B5) zum Potsdamer Platz. Diese Daten werden derzeit noch ausgewertet.

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Erfolgen Messungen der Ultrafeinstäube an einem Standort (Straßennähe und städti- scher Hintergrund) über einen längeren Zeitraum, ergibt sich ein interessantes Bild der Partikelanzahlkonzentration gemittelt über den Wochenverlauf (Bild 10) [4]. Eindeutig sind die Spitzenkonzentrationen am Tag und das Abklingen der Konzentration in den Nachtzeiten zu erkennen. Auch korrelieren die zeitlichen Verläufe der Partikelanzahl- konzentrationen mit der Anzahl der vorbeifahrenden Fahrzeuge.

In der Darstellung wurde die Partikelanzahl in vier Größenklassen unterteilt. Dabei ist zu erkennen, dass hauptsächlich die Korngrößenfraktionen bis 30 nm signifikant mit der Anzahl der dieselbetriebenen Lastkraftfahrzeugen korreliert. Die durch die vorbeifahrenden LKWs neu erzeugten Dieselemissionen besitzen Korngrößen kleiner als 30 nm. Werden Dieselruße oder andere ultrafeine Aerosole neu erzeugt, liegt das Ma- ximum der Korngröße hauptsächlich unter 30 nm. Alternde Dieselruße agglomerieren in Abhängigkeit von der Konzentration und die Gesamtpartikelanzahlkonzentration sinkt, was in den Kornklassen, insbesondere über 300 nm zu erkennen ist und sich im städtischen Hintergrund widerspiegelt.

Auch in Bild 12 spiegelt sich diese Tatsache wider. Nach Birmili sind insbesondere bei den Partikelgrößen kleiner 40 nm die lokalen Verkehrsquellen in Form von Ruß (elementarer Kohlenstoff) wiederzufinden, wie die größenaufgelösten chemischen Zusammensetzungen zeigen. Wohingegen die Partikelgrößenklassen über 120 nm eher den großräumigen Hintergrund widerspiegeln.

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

N10-40 N40-120 N120-800

Lokale

Verkehrsquelle Städtischer

Hintergrund Grpßräumiger Hintergrund Anteil

Bild 12:

Größenaufgelöste Zusammen- setzung der ubiquitären Ultra- feinstäube

Quelle: Birmili, W., Nano-Symposium Berlin 2009, Entstehung, Vorkommen und Variabilität atmosphärischer Nano- partikel in Deutschland, Vortrag

Erwähnt werden soll an dieser Stelle das Deutsche Beobachtungsnetz für ultrafeine Aerosolpartikel (GUAN – German Ultrafine Aerosol Network), das Ende 2008 in Betrieb ging und eine genaue, langzeitliche Beschreibung des atmosphärischen Aerosols zum Ziel hat [5]. Die dabei neu zu bestimmenden Parameter sind die Parti- kelanzahlgrößenverteilung, die Massenkonzentration von Ruß und die größenaufgelöste

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chemische Zusammensetzung der Partikel an bis zu 11 Beobachtungspunkten. Es wird erwartet, damit ein besseres Verständnis der raumzeitlichen Effekte im atmosphäri- schen Aerosol zu erhalten.

Danksagung

Teile dieses Projektes fanden im Rahmen einer Forschungsgemeinschaft mit der TU Berlin (ZELMI) unter dem Förderkennzeichen DFG INST 131/631-1 statt.

7. Literatur

[1] Asbach C, Kaminski H, von Barany D, Kuhlbusch T, Monz C, Dziurowitz N, Pelzer J, Vossen K, Berlin K, Dietrich S, Götz U, Kiesling HJ, Schierl R, Dahmann D: Comparabil-ity of portable nanoparticle exposure monitors. Annals of Occupational Hygiene. 2012; 56 (5): 606–621 [2] Asbach C, Kuhlbusch T, Kaminski H, Stahlmecke B, Plitzko S, Götz U, Voetz M, Kiesling HJ, Dah-

mann D: Standard Operation Procedures for assessing exposure to nano-materials, following a tiered approach, http://www.nanogem.de/cms/nanogem/front_content.php?idcat=159&lang=10 , 2013 [3] Birmili, W. et al. (2006) Räumlich-zeitliche Verteilung, Eigenschaften und Verhalten ultrafeiner

Aerosolpartikel (< 100 nm) in der Atmosphäre, sowie die Entwicklung von Empfehlungen zu ihrer systematischen Überwachung in Deutschland. 93 S., UBA-Texte, 26/06. http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/3114.pdf.

[4] Birmili, W., Nano-Symposium Berlin 2009, Entstehung, Vorkommen und Variabilität atmo- sphärischer Nanopartikel in Deutschland, Vortrag

[5] Birmili, W.; Weinhold, K.; Nordmann, S.; Wiedensohler, A.; Spindler, G.; Müller, K.; Herrmann, H.; Gnauk, T.; Pitz, M.; Cyrys, J.; Flentje, H.; Nickel, C.; Kuhlbusch, T.; Löschau, G.; Haase, D.;

Meinhardt F.; Schwerin, A.; Ries, L.; Wirtz, K.: Atmospheric aerosol measurements in the Ger- man Ultrafine Aerosol Network (GUAN). Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 69 (2009) Nr. 4 S. 137–145

[6] DIN EN 481: Arbeitsplatzatmosphäre; Festlegung der Teilchengrößenverteilung zur Messung luftgetragener Partikel; Deutsche Fassung EN 481:1993

[7] Donaldson K, Aitken R, Tran L, Stone, V, Duffin R, Forrest G, Alexander A: Carbon Nanotu- bes. A Review of Their Properties in Relation to Pulmonary Toxicology and Workplace Safety.

Toxicological Sciences 2006; 92 (1): 5–22

[8] Europäische Kommission. Empfehlungen der Kommission vom 18.10.2011 zur Definition von Nanomaterialien. Amtsblatt der Europäischen Kommission L 275/38 vom 20.10.2011

[9] Kaminski H, Kuhlbusch T, Rath S, Götz U, Sprenger M, Wels D, Polloczek J, Bachmann V, Dzi- urowitz N, Kiesling HJ, Schwiegelshohn A, Monz C, Dahmann D, Asbach C: Com-parability of mobility particle sizers and diffusion chargers. Journal of Aerosol Science 2013; 57: 156–178 [10] Löschau G: Partikelanzahl in verkehrsnaher Außenluft - Teil 1: Belastungsniveau und Tendenz.

Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 2006;10: 431–435

[11] Nanotechnologie: Gesundheits- und Umweltrisiken von Nanomaterialien – Forschungsstrategie – Dezember 2007. http://www.bfr.bund.de/cm/343/nanotechnologie_gesundheits_und_um- weltrisiken_von_nanomaterialien_forschungsstrategie_endfassung.pdf

[12] Plitzko, s.;Dziurowitz, N.; Thim, C.; Asbach, C.; Kaminski, H.; Voetz, M.;Goetz, U.; Dahmann, D:

Messung der inhalativen Exposition gegenpber Nanomaterialien – Möglichkeiten und Grenzen.

Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft, 73 (2013), 7/8

[13] Plitzko, S.; Kujath, P.: Messung der inhalativen Exposition gegenüber Nano-materialien an Ar- beitsplätzen. ASU Arbeitsmed.,Sozialmed., Umweltmed 49 (2014) S. 46–51

[14] Plitzko, S.; Thim, C.; Bachmann, V.: Zweite Fragebogenaktion zu Aspekten des Arbeitsschut- zes bei der Herstellung und bei Tätigkeiten von Nanomaterialien in Deutschland. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft, 73 (2013), 1/2 S. 7–13

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Karl J. Thomé-Kozmiensky, Margit Löschau (Hrsg.):

Immissionsschutz, Band 4

– Recht – Anlagenbetrieb und -optimierung – Emission – ISBN 978-3-944310-16-9 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2014

Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky

Erfassung und Layout: Ginette Teske, Sandra Peters, Berenice Gellhorn, Carolin Bienert, Cordula Müller

Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München

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