Durch die Verhaltens- und Lebensweise der Menschen wird der Schadstoffgehalt in der Luft wesentlich beeinflusst. Ab einer bestimmten Konzentration wirken einige der Luftinhaltsstoffe toxisch auf Pflanzen und Lebewesen in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen. Auch für Menschen und Tiere stellen diese Stoffe eine Gefahr dar. Aus diesem Grunde hat die Europäische Kommission in der Richtlinie 2008/50/EG für bestimmte Luftschadstoffe Grenzwerte „zum Schutz der menschlichen Gesundheit“ [1] erlassen, welche durch die 39. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen (39. BImSchV [2]) in nationales Recht überführt wurde. Während bei den meisten dieser Luftschadstoffe die Immissionsgrenzwerte eingehalten werden, treten bei Stickstoffdioxid (NO₂) und Feinstaub regelmäßig und auch über längere Zeiträume hinweg Überschreitungen auf. NO₂ gehört zur Klasse der Stickoxide (NO_x = NO + NO₂) sowie zu den reaktiven Stickstoffverbindungen (NO_x, NO₃, N₂O₃, HONO, HNO₃). Feinstaub wird unterschieden in Partikeln, die einen größenselektierenden Lufteinlass passieren, der für einen aerodynamischen Durchmesser von 10 μm eine Abscheidewirksamkeit von 50 % aufweist (PM 10) und Partikeln, die einen solchen Lufteinlass für 2,5 μm passieren (PM 2,5) [2]. Für die aktuellen Grenzwerte, welche in Tabelle 1 aufgelistet sind, ist lediglich die PM 10-Fraktion relevant.

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Einleitung

Durch die Verhaltens- und Lebensweise der Menschen wird der Schadstoffgehalt in der Luft wesentlich beeinflusst. Ab einer bestimmten Konzentration wirken einige der Luftinhaltsstoffe toxisch auf Pflanzen und Lebewesen in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen. Auch für Menschen und Tiere stellen diese Stoffe eine Gefahr dar. Aus diesem Grunde hat die Europäische Kommission in der Richtlinie 2008/50/EG für bestimmte Luftschadstoffe Grenzwerte „zum Schutz der menschlichen Gesundheit“ [1] erlassen, welche durch die 39. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen (39. BImSchV [2]) in nationales Recht überführt wurde. Während bei den meisten dieser Luftschadstoffe die Immissionsgrenzwerte eingehalten werden, treten bei Stickstoffdioxid (NO₂) und Feinstaub regelmäßig und auch über längere Zeiträume hinweg Überschreitungen auf. NO₂ gehört zur Klasse der Stickoxide (NO_x = NO + NO₂) sowie zu den reaktiven Stickstoffverbindungen (NO_x, NO₃, N₂O₃, HONO, HNO₃). Feinstaub wird unterschieden in Partikeln, die einen größenselektierenden Lufteinlass passieren, der für einen aerodynamischen Durchmesser von 10 μm eine Abscheidewirksamkeit von 50 % aufweist (PM 10) und Partikeln, die einen solchen Lufteinlass für 2,5 μm passieren (PM 2,5) [2]. Für die aktuellen Grenzwerte, welche in Tabelle 1 aufgelistet sind, ist lediglich die PM 10-Fraktion relevant.

Tabelle 1: Übersicht über die aktuellen Stunden-, Tages- und Jahreskonzentrationswerte für die Luftschadstoffe Feinstaub (PM 10), Stickstoffdioxid (NO₂) und Stickoxide (NO_x) mit der Anzahl der zulässigen Überschreitungen ([1] Anhang XI „Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit“ und Anhang XIII „Kritische Werte für den Schutz der Vegetation“, sowie [2] §§ 3 und 4)

Insbesondere die Immissionsgrenzwerte für NO₂ werden in vielen deutschen Großstädten häufig überschritten. Im Jahr 2015 gab es 142 Überschreitungen des Jahresmittelwertes von 40 µg/m³ an insgesamt 518 deutschen Messstationen. Alle Messstationen mit Grenzwertüberschreitungen überwachen die durch den Straßenverkehr erzeugten Luftverunreinigungen [3]. Seit dem Jahr 2010, ab dem NO₂-Grenzwerte einzuhalten sind, gab es deutschlandweit 969 Grenzwertüberschreitungen. In den Jahren 2010 bis 2015 sank der Anteil der Messstationen, an denen der Jahresmittelwert überschritten wurde von 35 % auf 27 %. Bei gleichbleibender Reduzierung wird der Grenzwert erst in 23 Jahren an allen Messstationen eingehalten. Messungen aus dem Jahr 2016, die nicht den Qualitätsstandards entsprechen und abweichend von der üblichen Messhöhe in Bodennähe durchgeführt wurden, deuten zudem darauf hin, dass die tatsächlichen Stickoxidkonzentrationen möglicherweise noch weit über den von den Messstationen erfassten liegen [4]. Die bisher ergriffenen Maßnahmen erweisen sich bisher als nicht ausreichend.

Ein Vorhaben, das in einer Zusammenarbeit der Bergischen Universität mit einem süddeutschen Textilunternehmen durchgeführt wird, hat die Entwicklung eines Textil zum Ziel, das als dekoratives Werbebanner, beispielsweise in Geschäftsvierteln am Rand stark befahrener Straßen aufgestellt („outside-Filter“) oder auch im Eingangsbereich von Geschäften, Büros oder ähnlichen Räumen installiert wird („inside-Filter“) und als Filter zur Adsorption und Eliminierung von Luftschadstoffen dienen soll („Umweltsegel“). Die Reduzierung der Feinstaubpartikeln geschieht physikalisch über die Konstruktion des Textils, die der Stickoxide photokatalytisch unter Einsatz von Titandioxid.

Herstellung und Beschichtung des Textils

Angepasst an das angedachte Einsatzgebiet ändert sich das Eigenschaftsprofil der bevorzugt verwendeten und beschichteten Maschenware. Bei Einsatz des Umweltsegels im Außenbereich (outside-Filter) muss das Textil besondere Eigenschaften aufweisen. Neben einer guten Witterungsbeständigkeit und einer Resistenz gegenüber Mikroorganismen ist eine beidseitige Beschichtung mit einer photokatalytisch aktiven Dispersion erforderlich, da aufgrund von Windrichtungsänderungen beide Warenseiten angeströmt werden können. Bei Einsatz des Umweltsegels im Innenbereich (inside-Filter) kann der chemische Auftrag verringert werden. Auf die Witterungsbeständigkeit kann dann verzichtet werden, ebenso können die bakterizide und fungizide Ausrüstung auf ein Minimum begrenzt werden. Hingegen muss eine bestimmte Waschbeständigkeit gegeben sein, wenn die inside-Filter über eine Haushaltswäsche gereinigt und wieder eingesetzt werden sollen. Da die Luft beim inside-Filter geführt wird, wird immer dieselbe Warenseite angeströmt. An der Textilaußenseite als Anströmseite soll die Feinstaubabscheidung und an der Wareninnenseite die Photokatalyse erfolgen. Die für den Einsatz als inside-Filter vorgesehene Maschenware wird daher vorzugsweise einseitig mit der photokatalytisch aktiven Dispersion beschichtet. Die UV-Belichtung darf nicht zu tief in das Textil eindringen, um eine Schädigung des textilen Gerüstes für die Beschichtung auf ein Minimum begrenzen zu können.

Polyester weist eine gute Witterungsbeständigkeit auf und ist bei den Herstellungs- und Verarbeitungskosten günstiger als Polyamid, welches eine ähnliche Witterungsbeständigkeit hat. Daher werden zwei Textilien auf Polyestergarn für die Untersuchungen verwendet: Ein Fleece mit einer Flächenmasse von 150 g/m² (Textil A) und eine feingarnige Maschenware mit einer Flächenmasse von 180 g/m² (Textil B).

Für den photokatalytischen Abbau von Stickoxiden muss eine Titandioxidbeschichtung aufgetragen werden. Dies erfolgt zunächst durch eine Tauchapplikation, bei der das Textil erst in einem Tauchbecken vollständig mit der Beschichtung durchtränkt und anschließend mittels zweier Walzen eines Foulards durch mechanische Entwässerung auf die gewünschte Auftragsmenge eingestellt wird. Die für den inside-Filter vorgesehenen Textilien sollen später mittels eines Minimalauftragsverfahrens einseitig beschichtet werden. Aus Gründen des Umweltschutzes und der Nachhaltigkeit wird der Chemikalienauftrag auf das notwendige Minimum reduziert.

Für die Beschichtung werden drei unterschiedliche am Markt erhältliche Produkte untersucht. Es handelt sich zum einen um eine Fassadenfarbe mit einem Anteil von 8 % photo-katalytisch aktivem Titandioxid sowie um eine speziell für Textilien entwickelte Beschichtungsappretur mit 3 % photokatalytisch aktivem Titandioxid und eine Beschichtungsappretur für technische Anwendungen wie Katalysatoren, Partikelfilter oder Solarzellen mit etwa 18 % Titandioxidanteil.

Untersuchung der Luftdurchlässigkeit, des Staudrucks und der Partikelabscheidung

Die Bestimmung der Luftdurchlässigkeit und des Staudrucks wird in Anlehnung an die Norm DIN EN ISO 9237:1995 Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von textilen Flächengebilden durchgeführt. Der Prüfstand besteht aus einem 4 m langen, horizontal gelagerten Rohr mit einer Vorrichtung zum Befestigen der Proben und einer Pumpe am Ende des Rohrs, welche einen Sog erzeugt. Der Differenzdruck (ΔP) wird vor und hinter der eingespannten Probe, der Volumenstrom am Ende des Rohres gemessen.

Bei der Luftdurchlässigkeit zeigen sich Unterschiede zwischen den beiden Textilien. Trotz der höheren Flächenmasse ist das Textil B luftdurchlässiger. Dies liegt daran, dass durch das feinere Garn die Porosität höher und damit der Luftwiderstand geringer ist. Hinsichtlich der zwei unterschiedlichen Beschichtungen ist festzuhalten, dass beide Textilien nach einer Beschichtung weniger luftdurchlässig werden. Dieser Effekt ist bei der Fassadenfarbe erheblich größer als bei der Textilbeschichtung. Die Fassadenfarbe muss für eine ausreichende Durchströmung der Textilien mit Wasser verdünnt werden.

Bei der Untersuchung der Partikelabscheidung wird insbesondere Feinstaub im Partikelgrößenbereich von 0,25 μm bis 17,5 μm betrachtet. Der Messbereich ist in 60 Partikelfraktionen unterteilt, von denen lediglich acht oberhalb einer Partikelgröße von 10 µm liegen. In den Messungen werden zu 99,9 % Partikeln mit einem Partikeldurchmesser unterhalb von 10 µm erfasst. Daher ist der angewendete Messbereich bis 17,5 µm dazu geeignet, Aussagen über die Partikelabscheidung für die Partikel der Größenklassen PM 10 zu machen. Beide Maschenwaren scheiden unausgerüstet etwa 75 Gew.-% der eingebrachten Partikelmenge des Feinstaubs der Sorte Ulmer Weiß XMF ab. Ausgerüstet mit der Textilbeschichtung, sowohl pur als auch im Verhältnis 1:1 mit Wasser verdünnt, ergeben sich deutlich erhöhte Partikelabscheidungen, mit nur geringen Unterschieden zwischen den beiden Stoffen. Bei der Ausrüstung mit der Fassadenfarbe in den Verdünnungen 1:1 und 1:2 ergeben sich dagegen deutliche Unterschiede mit Abscheidungen von etwa 98 Gew.-% für das Textil A und etwa 87 Gew.-% für Textil B (Tabelle 2). Die Partikelabscheidung der mit der technischen Beschichtung ausgerüsteten Textilien wird im Frühjahr 2017 untersucht.

Abbildung 1: Versuchsstand zur Bestimmung der Luftdurchlässigkeit, des Staudrucks und der Partikelabscheidung bestehend aus einem Feinstaubdispergiere (1), dem Strömungskanal mit einer Vorrichtung zum Einspannen der Textilien mittig im Strömungskanal, Messstellen zur Erfassung des Differenzdruckes und Entnahme eines Teilstroms für die Bestimmung der Partikeln (2), der Auswerteeinheit (3) sowie einer durch die Auswerteeinheit verdeckten Pumpe zur Erzeugung eines Sogs

Tabelle 2: Vergleich der anzahlbezogenen Partikelabscheidung E(0) und der massenbezogenen Partikelabscheidung E(3) bezogen auf die eingebrachte Staubmenge mit aerodynamischen Partikeldurchmesser zwischen 2,5 µm und 17,5 µm der textilen Waren A und B sowohl unausgerüstet als auch mit der Fassadenfarbe sowie der Textilbeschichtung ausgerüstet in unterschiedlichen Verdünnungen

Untersuchung der photokatalytischen Reduzierung von Stickoxiden und dabei entstehender Reaktionsprodukte

Die Messungen der Reduzierung von Stickoxiden werden angelehnt an die Norm ISO 22197-1 [5] durchgeführt. Das Luftreinhaltevermögen der unterschiedlich beschichteten Textilien wird durch Exposition mit Stickstoffmonoxid (NO) sowie Stickstoffdioxid (NO₂) unter UV-Licht ermittelt. Zudem wurde im Rahmen der Arbeit auch die Bildung schädlicher salpetriger Säure (HONO) als postuliertes Reaktionsprodukt der Stickoxide untersucht. Abbildung 1 zeigt einen seitlichen Schnitt durch den Versuchsreaktor gemäß ISO 22197-1. Im Gegensatz dazu wurden niedrigere, atmosphärenrelveante Schadstoffkonzentrationen im Bereich um 100 ppb verwendet und die Auswertung erfolgte nach einer Kinetik erster Ordnung, wobei hier sogenannte photokatalytische Depositionsgeschwindigkeiten (n_photo) ermittelt wurden. Zudem wurde neben NO auch das umweltrelevantere NO₂ untersucht. Details zur kinetischen Auswertung und den Schwächen der ISO 22197-1 Norm sind an anderer Stelle im Detail beschrieben [6].

Abbildung 2: Prinzipieller Seitenschnitt durch einen Versuchsreaktor nach ISO 22197-1; Durch das Sichtfenster (1) tritt das Licht der UV-Lampe (2) auf den Prüfkörper (6), der von dem Prüfgasfluss (3) durchströmt wird. Mit Hilfe von Platte zur Höhenverstellung (4) kann die Luftschichtdicke (5) zwischen dem Prüfkörper und dem Sichtfenster auf 5 mm eingestellt werden. In der Versuchsanordnung betrug die Luftschichtdicke xx µm. In Anlehnung an [5]

Die Maschenwaren werden von einem Gasgemisch aus Stickstoffmonoxid als Reagenz und angefeuchteter (~50 % r.h.) synthetischer Luft als Trägergas durchströmt. Beide Textilien sind inert und emittieren keinerlei Stickoxide. Die Untersuchungen ergeben, dass beide Waren mit der Textilbeschichtung höhere Depositionsgeschwindigkeiten des eingebrachten Stickstoffmonoxids und Stickstoffdioxids erzielen als mit der Fassadenfarbe in der 1:1-Verdünnung. Die 1:2- Verdünnung der Fassadenfarbe führt zu einer höheren Depositionsgeschwindigkeit sowohl für das eingebrachte Stickstoffmonoxid als auch für das Stickstoffdioxid bei beiden Textilien als bei der 1:1-Verdünnung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich bei der Applikation der Fassadenfarbe, die als wässrige Dispersion angewendet wurde, schon nach äußerst kurzer Zeit ein Auseinanderbrechen der Dispersion zeigte. Es bildeten sich im Auftragsaggregat zwei Phasen. Der Feststoff setzt sich ab und bildet einen Bodensatz, der nach längerer Standzeit auch mit einem Rührgerät nur sehr mühsam wieder homogenisiert werden konnte. Bei der 1:2-Verdünnung konnte das Absetzverhalten nicht in der Weise beobachtet werden. Der Einsatz der unverdünnten Fassadenfarbe ist nicht möglich, da diese zu einem Verkleben der Poren führt. Die Fassadenfarbe ist nicht für die Anwendung poröser Materialien wie Textilien vorgesehen und stellt daher eine „Notlösung“ dar.

Die Depositionsgeschwindigkeit von Stickstoffmonoxid liegt bei dem mit der technischen Beschichtung ausgerüsteten Textil A deutlich über denen aller anderen Werte, während die Depositionsgeschwindigkeit von Stickstoffdioxid sehr gering ist.

Im Vergleich der Textilien A und B untereinander zeigt sich, dass das Textil A höhere Abbauraten erzielt. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass das Fleece einseitig geraut ist und damit eine höhere, innere Oberfläche aufweist. Die Depositionsgeschwindigkeit des Stickstoffdioxids bei dem mit der unverdünnten Textilbeschichtung ausgerüsteten Textil B liegt entgegen des bei allen übrigen Messwerten erkennbaren Trends höher als der Wert für das identisch ausgerüstete Textil A. Dieser Effekt wird noch genauer untersucht. Tabelle 3 stellt die Ergebnisse der Untersuchungen zur Depositionsgeschwindigkeit von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid gegenüber.

Abbildung 3: Der für die Untersuchungen verwendete Versuchsreaktor in Anlehnung an ISO 22197-1 mit Leuchtdioden statt einer Leuchtstoffröhre

Tabelle 3: Vergleich der Depositionsgeschwindigkeiten für Stickstoffmonoxid (n(NO)) und Stickstoffdioxid (n(NO2)) der Textilien A und B bezogen auf die geometrische Oberfläche sowohl unausgerüstet als auch mit der Fassadenfarbe, der Textilbeschichtung und der technischen Beschichtung ausgerüstet in unterschiedlichen Verdünnungen

Aufgrund umfangreicher Untersuchungen in vorherigen Projekten der Arbeitsgruppe Atmosphärenchemie der Bergischen Universität Wuppertal ist bekannt, dass die Fassadenfarbe Stickoxide vollständig zu Nitrat umwandelt, wobei NO deutlich reaktiver als NO₂ ist [7]. Für die Textilbeschichtung wurden die Reaktionsprodukte ebenfalls untersucht. Dabei zeigte sich, dass große Mengen salpetrige Säure (HONO) produziert werden. HONO ist kanzerogen und somit deutlich schädlicher für die menschliche Gesundheit als die abgebauten Stickoxide. Aufgrund der großen HONO-Bildung eignet sich die Textilbeschichtung nicht zur Luftreinhaltung. Die technische Beschichtung führt bei dem Textil A zu einer Verbesserung der HONO-Vermeidung, was auf die erhöhte Reaktivität zurückzuführen ist.

Fazit und Ausblick

Die untersuchte Textilbeschichtung ist in der Handhabung deutlich einfacher als die Fassadenfarbe und baut effizient NO_x ab. Die Stickoxide werden jedoch nicht vollständig zu Nitrat oxidiert, sondern es wird die Bildung von schädlicher salpetriger Säure (HONO) in hohen Ausbeuten beobachtet. Daher ist die Textilbeschichtung für die Beschichtung eines Luftfilters, der Luftschadstoffe entfernen soll, ungeeignet.

Die Fassadenfarbe ist nach Verdünnung mit Wasser aufwändiger zu handhaben und muss ständig gerührt werden. In einer 1:2-Verdünnung mit Wasser ergibt sich die höchste Effizienz beim NO_x-Abbau. Das Aufsprühen von Beschichtungschemikalien ist aus Arbeitsschutzgründen nicht möglich.

Die Technische Beschichtung ist vergleichbar einfach zu handhaben wie die Textilbeschichtung, jedoch deutlich reaktiver und bildet kaum HONO.

Die Beständigkeit der aufgetragenen Beschichtungen gegenüber Witterungseinflüssen muss ebenso wie die Stabilität des textilen Gerüstes gegenüber der UV-Strahlung und der photokatalytischen Wirkung der Beschichtungen noch untersucht werden.

Das einseitig geraute und mit der Fassadenfarbe beschichtet Textil A erzielt sowohl bei der Abscheidung von partikulären Luftschadstoffen im Partikelgrößenbereich PM 10 als auch bei der Reduzierung der Stickoxide höhere Werte. Für den outside-Filter wird die Verwendung eines beidseitig gerauten Textils angestrebt, da durch Änderungen der Windrichtung beide Seiten des Textils angeströmt werden können.

Inzwischen wurde ein neuer, an den späteren inside-Filter angelehnter Versuchsstand gebaut, an dem parallel die Staubabscheidung und Photokatalyse gleichzeitig untersucht werden können. Für 2017 sind Feldtests mit dem neuen Versuchsstand an der Bergischen Universität Wuppertal geplant.

Die bisherigen Versuche fanden unter Idealbedingungen im Labor statt. Unter realen Bedingungen mit wechselnden Windrichtungen, eingeschränkter Sonneneinstrahlung und variierender Luftfeuchtigkeit ist insbesondere beim outside-Filter, der im verkehrsnahen Bereich eingesetzt werden soll, mit deutlich geringeren Abbauraten zu rechnen.

Quellen

[1]  Richtlinie 2008/50/EG des europäischen Parlamentes und des Rates vom 21. Mai 2008 über Luftqualität und saubere Luft für Europa

[2]  39. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes Verordnung über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen (39. BImSchV)

[3]  Umweltbundesamt     2016:    Jährliche     Auswertung    NO2    - 2015
(https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/358/dokumente/no2_2015_1.xlsx), abgerufen am 26.11.2016

[4]  Greenpeace, 2016: Das dreckige Dutzend - Abschlussbericht der Stickstoffdioxid-Messungen in zwölf deutschen Städten

[5]  Deutsches Institut für Normung: ISO 22197-1: Hochleistungskeramik – Prüfverfahren zur Bestimmung des Luftreinigungsvermögens von halbleitenden photokatalytischen Werkstoffen – Teil 1: Entfernung von Stickstoffmonoxid, Beuth Verlag: Berlin

[6]  Ifang, S., M. Gallus, S. Liedtke, R. Kurtenbach, P. Wiesen and J. Kleffmann: Standardization Methods for Testing Photo-Catalytic Air Remediation Materials: Problems and Solution, Atmos. Environ., 2014, 91, 154-161.

[7]  Laufs, S., G. Burgeth, W. Duttlinger, R. Kurtenbach, M. Maban, C. Thomas, P. Wiesen, and J. Kleffmann: Conversion of Nitrogen Oxides on Commercial Photocatalytic Dis-persion Paints, Atmos. Environ., 2010, 44, 2341- 2349.