Zusammenfassung

Für die Messung von ultrafeinen Partikeln (<100 nm) stehen derzeit viele verschiedene Geräte in einer breiten Preisspanne zur Verfügung. Die Messgeräte reichen von Mobilitätspartikelgrößenspektrometern (MPSS) über Kondensationspartikelzähler (CPC) bis hin zu Handmessgeräten mit mehreren Elektrometerstufen. In der vorliegenden Arbeit werden die Partikelmessgeräte U-SMPS 2100X (Fa. Palas GmbH), ENVI-CPC 100 (Fa. Palas GmbH) und die Handmessgeräte Partector 2 (Fa. naneos particle solutions GmbH) unter Labor- und Umgebungsluftbedingungen in einem breiten UFP-Partikelanzahlkonzentrationsbereich verglichen. Über mehrere Wochen werden Immissionsmessungen an einem straßennahen Standort und drei Standorten im städtischen Hintergrund in Baden-Württemberg durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass alle Geräte, trotz der unterschiedlichen Messprinzipien nur geringe Abweichungen aufweisen. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse die starken räumlichen Schwankungen der Partikelanzahl an den verschiedenen Standorten am Tag und in der Nacht. Diese Ergebnisse sind mit Daten aus anderen Studien vergleichbar.

Eine unserer wichtigsten Schlussfolgerungen aus dieser Untersuchung ist, dass das Partector-Gerät eine vergleichbare Alternative zu anderen Geräten zur Messung der UFP-Partikelanzahl darstellt und folgende Vorteile aufweist: es ist sehr kostengünstig, klein, einfach zu handhaben und robust. Ab Frühjahr 2023 werden an verschiedenen Standorten in Baden-Württemberg kontinuierliche UFP-Messungen mit dem Partector starten. Zusätzlich werden an einem Aerosolprüfstand im Labor alle Messgeräte unter definierten Bedingungen und unter Einsatz unterschiedlicher Aerosolgeneratoren miteinander verglichen.

Abstract

Many different instruments in a wide price range are currently available for the measurement of ultrafine particles (<100 nm). The measuring instruments are from mobility particle size spectrometers (MPSS) over condensation particle counters (CPC) to handheld devices containing several electrometer stages. In the present work the ultrafine particle measurement devices U-SMPS 2100X (manufacturer Palas GmbH), ENVI-CPC 100 (manufacturer Palas GmbH) and the handheld devices Partector 2 (manufacturer naneos particle solutions GmbH) are compared under laboratory and ambient air conditions in a broad UFP particle number concentration range. For several weeks ambient air measures are performed at a road site and three sites in the urban background in Baden-Württemberg. The results of the investigations show that all devices, despite of the different measuring principles, display the measured number concentrations only with small discrepancies under most conditions. The results show furthermore the highly spatial variancies of the particle number at the different sites during daytime and weekday. These results are comparable with data from other studies.

One of our main conclusions of that investigation is, that the partector device is a comparable alternative to the other devices to measure UFP particle number and has advantages: it is very cost effective, small in size, easy to handle, robust. The next step in 2023 is to start UFP-Measures with the partector at different sites in Baden-Württemberg. In addition all measuring devices are compered on an aerosol test stand in the laboratory under defined conditions and using different aerosol generators.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Zielsetzung

Als ultrafeine Partikel (UFP) werden Partikel mit einer Größe unter 100 nm bezeichnet. Sie entstehen bei Verbrennungsprozessen, werden aber auch in der Atmosphäre aus gasförmigen Vorläufersubstanzen gebildet [1]. UFP kommen in der Luft in unterschiedlicher Konzentration, chemischer Zusammensetzung, Größe und Form vor und sind hoch komplexe und dynamische Gemische. Obwohl die Partikelanzahlkonzentration häufig von ultrafeinen Partikeln dominiert wird, werden diese aufgrund ihrer geringen Masse nur unzureichend über gravimetrische Methoden erfasst. Auch optische Partikelzähler, welche als Online-Messverfahren die gravimetrische Feinstaubmessung ergänzen, berücksichtigen diesen Partikelgrößenbereich nicht. Es ist bereits bekannt, dass ultrafeine Partikel eine wichtige Rolle in Bezug auf die menschliche Gesundheit spielen. Dennoch sind ihre Auswirkungen bisher noch nicht ausreichend in epidemiologischen Langzeitstudien untersucht worden, weshalb es derzeit keine Beurteilungsgrundlage und somit auch keine gesetzlichen Regelungen für Immissionsgrenzwerte gibt. Ultrafeine Partikel rücken daher immer mehr in den Fokus der Öffentlichkeit und die Fragestellungen zu Messsystemen, Kennwerten und Bewertungen nehmen zu. Aus diesem Grund wird in der aktualisierten WHO-Leitlinie zur Luftqualität aus dem Jahr 2021 die Quantifizierung, Überwachung und Bewertung der UFP explizit empfohlen [2].

Die Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg, Karlsruhe (LUBW) führt deshalb im Rahmen eines Projektes seit Mai 2020 Laboruntersuchungen zur Charakterisierung von UFP-Messsystemen durch sowie Vergleichsmessungen bei Außenluftmessungen mit verschiedenen und auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhenden UFP-Messsystemen [3]. Ein Ziel des Projektes ist der Erkenntnisgewinn im Umgang und Betrieb von einfacheren, leichter einsetzbaren Handmessgeräten zu orientierenden UFP-Messungen im Luftmessnetz Baden-Württemberg im Vergleich zur etablierten klassischen UFP-Messtechnik. An einem Aerosolprüfstand wurden im Labor unterschiedliche Partikelanzahlkonzentrationen hergestellt und die unterschiedliche UFP-Messsysteme hinsichtlich ihrer Messeigenschaften überprüft. Dabei wurden zur Bestimmung der Gesamtpartikelanzahl Messgeräte der Firmen Naneos und Palas eingesetzt. Zusätzlich wurden zur Bestimmung der Partikelanzahlgrößenverteilung Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) der Firma Palas verwendet.

2 Messgeräte

Bei den Labor- und Vergleichsmessungen wurden klassische Messgeräte und kostengünstigere Handmessgeräte verwendet. Bei den Handmessgeräten handelt es sich um Partector 2 der Fa. naneos. Das Messgerät arbeitet auf Basis der Diffusionsaufladung, die in der Richtlinie VDI 3871 beschrieben ist [4]. Zusätzlich wurde zur Bestimmung der Gesamtanzahlkonzentration der Kondensationspartikelzähler ENVI-CPC 100 der Fa. Palas eingesetzt. Die Details zu diesem Messprinzip sind in VDI 3867 Blatt 2 [5] sowie DIN CEN/TS 16976 [6] zusammengefasst. Um neben der Gesamtanzahlkonzentration auch Aussagen zu der Partikelanzahlgrößenverteilung treffen zu können, wurden Universal Scanning Mobility Particle Sizer (U-SMPS 2100 X) der Fa. Palas eingesetzt. Hierbei werden die UFP in einem Differentiellen Mobilitätsanalysator (DMA) durch die Bewegung in einem elektrischen Feld größenklassiert und im Anschluss die Partikel einer bestimmten Größe mit einem CPC optisch erfasst. Die Grundlagen sind in VDI 3867 Blatt 3 [7] und DIN CEN/TS 17434 [8] wiedergegeben.

Die Messgeräte SMPS und Partector 2 bestimmen neben der Gesamtpartikelanzahlkonzentration auch einen mittleren Partikeldurchmesser. In Tabelle 1 sind die unterschiedlichen Messgeräte sowie deren Kenngrößen zusammengefasst.

Tabelle 1: Zusammenstellung der verwendeten UFP-Messgeräte, Angaben laut Geräteanleitungen, Bildquelle: Brennfleck, LUBW

3 Außenluftvergleichsmessungen

Alle genannten Messgeräte wurden in zwei UFP-Minicontainern eingebaut (Bild 1). In beiden Containern befindet sich jeweils ein SMPS-System der Fa. Palas, ein CPC der Fa. Palas, zwei Partector 2 der Fa. naneos, ein Membrantrockner Permapure MD-700-24-S-1, ein Butanol-Konverter CVF100, ein Router für die Datenübertragung und ein Klimagerät.

Bild 1 Aufbau eines Minicontainers, Vorderseite (links) und Rückseite (rechts) ausgestattet mit Messgeräten zur Erfassung von UFP, Bildquelle: Brennfleck, LUBW

Mit dem messtechnischen Equipment wurde an unterschiedlichen Standorten Außenluftmessungen durchgeführt. Ziel dabei war es, Erfahrungen im Feldeinsatz mit den Messgeräten zu erhalten, möglichst unterschiedliche UFP-Konzentrationen und Partikelgrößenverteilungen zu erfassen und die Messgeräte und ihre Belastungsgrenzen besser beurteilen zu können. Als Standorte wurde ein straßennaher Messstandort an einer Bundessstraße in Karlsruhe sowie drei Messstationen mit unterschiedlicher städtischer Hintergrundbelastung in Karlsruhe, Gärtringen und Bernhausen ausgewählt (Bilder 2 bis 5).

Bild 2 UFP Außenluft-Vergleichsmessungen an der Teststation LUBW in Karlsruhe Großoberfeld (links), Bildquelle: Brennfleck, LUBW, Lage des Messpunktes (rechts), Bildquelle: Internetseite google earth abrufbar unter https://earth.google.com/web/ abgerufen am 06.05.2022

Bild 3 UFP-Außenluft-Vergleichsmessungen an der Bundesstraße B10 in Karlsruhe mit einem Minicontainer (links), Bildquelle: Brennfleck, LUBW, Lage des Messpunktes (rechts), Bildquelle: Internetseite google earth abrufbar unter https://www.google.com/intl/de _de/earth/,              abgerufen am 27.07.22

Bild 4 UFP Außenluft-Vergleichsmessungen an der Luftmessstation in Gärtringen (links), Bildquelle: Brennfleck, LUBW, Lage des Messpunktes (rechts), Bildquelle: Internetseite google earth abrufbar unter https://earth.google.com/web/, abgerufen am 27.07.22

Bild 5 UFP-Außenluft-Vergleichsmessungen an der Luftmessstation in Bernhausen (links), Bildquelle: Brennfleck, LUBW, Lage des Messpunktes (rechts), Bildquelle: Internetseite google earth abrufbar unter https://earth.google.com/web/ abgerufen am 27.07.22

4 Ergebnisse

a) Vergleichsmessungen an der Teststation in Karlsruhe Großoberfeld

Erste Vergleichsmessungen mit den unterschiedlichen Messgeräten zur Erfassung der UFP wurden an der Teststation der LUBW in Karlsruhe vorgenommen. An einem ausgewählten Beispiel werden die Unterschiede der einzelnen Messsysteme erläutert.

In Bild 6 ist die am 20.06.2020 gemessene Partikelanzahlkonzentration der Messgeräte dargestellt. Die Partikelanzahlkonzentration schwankte an diesem Tag zwischen 4.000 cm^–3 und je nach Messgerät bis zu etwa 31.000 cm^–3. Während die erfassten Partikelanzahlkonzentrationen der einzelnen Messgeräte zwischen 0 Uhr und 12 Uhr gut übereistimmen, weichen die Partikelanzahlkonzentrationen im weiteren Verlauf an diesem Messtag etwa um 14 Uhr deutlich voneinander ab. Die Messergebnisse der zwei SMPS-Systeme stimmen dabei mit etwa

19.000 cm^–3 gut miteinander überein. Der CPC weist zu diesem Zeitpunkt eine deutlich höhere Partikelanzahlkonzentration von etwa 27.000 cm^–3 aus. Der Partector erfasst zum gleichen Zeitpunkt die niedrigsten Partikelanzahlkonzentrationen von etwa 15.000 cm^–3. Um etwa 22 Uhr liegt die Partikelanzahlkonzentration im gleichen Konzentrationsbereich wie um 14 Uhr. Zu diesem Zeitpunkt werden jedoch kaum voneinander abweichende Partikelanzahlkonzentrationen erfasst.

Die Partikelanzahlgrößenverteilung gegen 14 Uhr und 22 Uhr wird in Bild 7 dargestellt. Um 14 Uhr überwiegen kleine Partikel mit einer Größe von unter 20 nm. Um 22 Uhr liegt die durchschnittliche Partikelgröße bei etwa 60 nm. Der Partikelgrößen-Messbereich der Messgeräte spielt eine entscheidende Rolle für die Interpretation der Vergleichbarkeit der Messgeräte. Überwiegt der Anteil sehr kleiner Partikel (< 20 nm) in der Außenluft, liefert der Partector mit einem Messbereich von 10 nm bis 300 nm im Vergleich zum CPC mit einem Messbereich von 4 nm bis 10.000 nm deutlich niedrigere Ergebnisse. Die SMPS-Systeme haben einen Messbereich von 8 nm bis 1200 nm. Bedingt durch den Scan-Vorgang wird im Gegensatz zu den anderen Messgeräten nur alle 5 Minuten ein Messwert erzeugt. Die Ergebnisse der SMPS-Systeme liegen bei der Gesamtkonzentration zwischen den Ergebnissen des CPC und des Partector.

Bild 6 Partikelanzahlkonzentrationen der UFP Außenluft-Vergleichsmessungen unter Einsatz unterschiedlicher Messgeräte am 20.06.2020 auf dem Gelände der LUBW

Bild 7 Partikelanzahlgrößenverteilung des SMPS 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten am 20.06.2020

Um die Vergleichbarkeit aller Messgeräte, die in den Minicontainern eingebaut wurden, zu überprüfen, wurden nach Wartung aller UFP-Messgeräte im Sommer 2021 über einen Zeitraum von 3 Wochen auf dem Gelände der Teststation in Karlsruhe beide Minicontainer parallel betrieben und die UFP-Außenluftkonzentration erfasst. Die UFP-Außenluftkonzentrationen reichen in diesem Zeitraum von etwa 1000 cm^–3 bis ca. 60.000 cm^–3. Ein Vergleich der Messzeitraum-Mittelwerte (Tabelle 2) der eingesetzten Geräte zeigt trotz unterschiedlichen UFP-Außenluftkonzentrationen und unterschiedlicher unterer Erfassungsgrenze der Messsysteme eine gute Übereinstimmung. Im Durchschnitt weichen die Partikelanzahlkonzentrationen beider CPC um etwa 2 % voneinander ab. Die beiden SMPS-Systeme unterscheiden sich um etwa 15 %. Aus den beiden Partectoren im Minicontainer wurde jeweils ein Mittelwert gebildet. Der Vergleich der Partectoren zeigt, dass sich die Ergebnisse um weniger als 5 % unterscheiden. Gemittelt über den gesamten Zeitraum liefern alle eingesetzten Messgeräte Ergebnisse um 10.000 cm^–3 am Standort der Teststation der LUBW.

Tabelle 2 UFP-Partikelanzahlkonzentrationen erfasst mit Messgeräten in zwei Minicontainern an der Teststation der LUBW in Karlsruhe Großoberfeld; Partector: Messbereich 10-300 nm; CPC: Messbereich 10–10.000 nm; SMPS: Messbereich 10–800 nm, alle 5 min ein Messwert, Scanzeit 180 s; Messzeitraum 19.10.2021-10.11.2021

Zusätzlich zu den UFP-Vergleichsmessungen mit den Minicontainern wurden seit September 2020 kontinuierliche Messungen mit zwei Partectoren (P1 und P3) an der Teststation der LUBW in Karlsruhe Großoberfeld durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Bild 8 veranschaulicht. Die ermittelten Monatsmittelwerte liegen in Karlsruhe Großoberfeld bei etwa 7.000 cm^–3 bis 13.500 cm^–3. Die Partikelanzahlkonzentrationen, ermittelt mit den beiden Partectoren, liegen auf gleichem Niveau, der Unterschied liegt bei < 10 %.

Bild 8 Parallelmessungen der UFP-Partikelanzahlkonzentrationen an der Teststation der LUBW in Karlsruhe Großoberfeld mit zwei Partectoren Fa. naneos, Messbereich 10-300 nm, Monatsmittelwerte, Messausfall Juni 2021 bis August 2021 wegen Neukonzeption der Pumpen

b) Vergleichsmessungen in Straßennähe

Die straßennahen UFP-Messungen wurden in der Nähe der Bundesstraße B10 in Karlsruhe im Zeitraum von 30.03.2021 bis 27.04.2021 durchgeführt. Hierfür wurde ein Minicontainer, der mit einem SMPS, einem zusätzlichem CPC und 2 Partectoren ausgestattet war, in direkter Straßennähe aufgestellt. Die folgenden Ergebnisse sind beispielhafte Auszüge aus den durchgeführten Messungen.

In Bild 9 ist ein Wochengang 12.04.2021 bis 18.04.2021 aus den durchgeführten UFP-Messungen mit den drei unterschiedlichen Messsystemen dargestellt. Es ist festzustellen, dass die Partectoren im Vergleich zum CPC und dem SMPS deutlich höhere Partikelanzahlkonzentrationen erfassen. Es ist ein Tagesgang der UFP-Konzentrationen erkennbar, in den Nachtstunden werden erwartungsgemäß deutlich niedrigere UFP-Konzentrationen erreicht als tagsüber. Die Partikelanzahlkonzentrationen der drei unterschiedlichen Messsysteme stimmen in den Nachtstunden besser überein als am Tag. Dieser Effekt ist besonders in der Nacht von Samstag auf Sonntag, am 17.04.2021 bis 18.04.2021, erkennbar.

Die Auswertung der Einzelwerte als 10-Sekunden-Mittelwerte hat gezeigt, dass die Partikelanzahlkonzentrationen tagsüber an diesem Messpunkt häufig über 1 Mio. cm^–3 erreichen. Es ist aus vorangegangenen Laborversuchen bereits bekannt, dass beim CPC ab einer Konzentration von etwa 100.000 cm^–3 die Zählung der Partikel über den Nephelometermodus erfolgt, der zu Minderbefunden führt, und nicht über den Einzelzählmodus.

Eine weitere Besonderheit an diesem Standort ist, dass tagsüber aufgrund des ständig wechselnden Verkehrsaufkommens stark schwankende Partikelanzahlkonzentrationen erfasst werden. Ein SMPS, der alle 5 min ein Messwert liefert, ist für einen Standort, an dem sich die Partikelanzahlkonzentration ständig stark ändert, nicht zur Anzahlkonzentrationsmessung geeignet und erfasst daher ungenaue Partikelanzahlkonzentrationen.

Im Mittel über den gesamten Messzeitraum wurden an diesem Standort mit den Partectoren Partikelanzahlkonzentrationen von etwa 36.000 cm^–3 ermittelt, wobei sich die Konzentrationen der beiden Partectoren um ca. 2 % voneinander unterscheiden. Beim CPC liegt die Partikelanzahlkonzentration im gesamten Messzeitraum bei etwa 19.000 cm^–3, beim SMPS im Mittel um 21.000 cm^–3. Die mittleren Partikelgrößen an diesem Messpunkt liegt unter der Woche um 20 nm und steigt am Wochenende deutlich an auf bis über 60 nm.

Bild 9 Beispiel für einen Wochengang der UFP-Konzentrationen an der B10 in Karlsruhe vom 12.-18.04.2021 dargestellt als 30-Minuten-Mittelwerte; Partectoren: Mittelwert aus P5 und P6, Messbereich 10-300 nm; CPC: Messbereich 4–10.000 nm; SMPS-System: Messbereich 10– 300 nm, alle 3 min ein Messwert, Scanzeit 120 s

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Partectoren an Standorten mit stark schwankenden sowie hohen UFP-Konzentrationen zur Erfassung der Partikelanzahlkonzentration eignen, während ein CPC und ein SMPS deutliche Minderbefunde aufweisen.

c) Vergleichsmessungen im städtischen Hintergrund an der Messstation in Gärtringen und in Bernhausen

Im Zeitraum 18.11.2021 bis 28.02.2022 wurden an der Luftmessstation in Gärtringen kontinuierliche UFP-Messungen mit einem CPC, einem SMPS und 2 Partectoren durchgeführt. Die Luftmessstation befindet sich im städtischen Hintergrund in einem Wohngebiet. Es werden geringe UFP-Konzentrationen erwartet.

Die ermittelten Partikelanzahlkonzentrationen - als Monatsmittelwerte an der Luftmessstation in Gärtringen - sind in der Tabelle 3 dargestellt. Die Konzentrationen liegen im Messzeitraum zwischen ca. 3500 cm^–3 und 5000 cm^–3. Im Vergleich zum CPC liefern die Partectoren im Mittel um etwa 20 % niedrigere Partikelanzahlkonzentrationen, die SMPS-Daten liegen um etwa 10 % unter den mit dem CPC ermittelten.

Tabelle 3 UFP-Partikelanzahlkonzentrationen unterschiedlicher Messsystemen als Monatsmittelwerte an der Luftmessstation in Gärtringen

Die Luftmessstation in Bernhausen liegt im städtischen Hintergrund in der Nähe des Stuttgarter Flughafens. An der Messstation wurden im Zeitraum 18.11.2021- 31.03.2022 kontinuierliche UFP-Messungen mit einem SMPS, einem CPC und zwei Partectoren durchgeführt.

Über den gesamten Messzeitraum wurden an der Luftmessstation in Bernhausen Monatsmittelwerte zwischen etwa 6.000 cm^–3 und 10.000 cm^–3 erfasst. Dabei unterscheiden sich die Messwerte der Partectoren von den UFP-Konzentrationen des CPC im Durchschnitt um 12 %. Die Konzentrationen des SMPS-Systems weichen um 5 % von den CPC-Konzentrationen ab. In Tabelle 4 sind die Monatsmittelwerte der Partikelanzahlkonzentrationen zusammengefasst. Die Monatsmittelwerte der Partikelanzahlkonzentrationen in Gärtringen liegen etwa Faktor 2 unter denen von Bernhausen in einem Bereich von 5000 cm^–3 bis 10000 cm^–3. Diese Ergebnisse decken sich mit langjährigen UFP-Messungen an vergleichbaren Standorten in Deutschland [1].

Tabelle 4 UFP-Partikelanzahlkonzentrationen als Monatsmittelwerte an der Luftmessstation in Bernhausen unter Einsatz unterschiedlicher Messsysteme (*Daten beim CPC bis zum 21.03.2022 verfügbar)

5 Qualitätssicherung von UFP-Messsystemen am Aerosolprüfstand

Um die Qualität der Messergebnisse mit den unterschiedlichen UFP-Messsystemen besser beurteilen zu können, wurde ein Aerosolprüfstand konzipiert. Dabei wurden unterschiedliche Anforderungen berücksichtigt, die bei einer Funktionskontrolle relevant sind und in der VDI 3491 Blatt 1 [9] genannt werden: die Einstellbarkeit/Veränderung der Partikelanzahlkonzentration, Einstellung einer konstanten als auch regelbaren Konzentration bei entsprechenden Betriebsparametern sowie die Verteilung des Prüfaerosols auf unterschiedliche Messsysteme.

5.1 Konzeption eines Aerosolprüfstands

Bild 10 zeigt das Konzept des Aerosolprüfstands, welches sich unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Anforderungen ergibt. Der Prüfstand wurde bei der Fa. Palas erworben und wurde teilweise modifiziert.

Bild 10 Konzeption eines Aerosolprüfstades zur Erzeugung von Ultrafeinpartikeln mit unterschiedlichen Generatoren, Fa. Palas, teilweise modifiziert

Über die Änderung der Drehzahl an der Pumpe (max. 2,7 m³/min) kann die Verdünnung des Prüfaerosols eingestellt werden. Die dazu benötigte Laborluft durchströmt zunächst einen HEPA-Filter, um partikelfreie Luft in das System einzuleiten. Die Durchmischung von Aerosol und Verdünnungsluft erfolgt durch Einströmung in das Rohrleitungssystem und der daraus folgenden Turbulenzen.

Um Partikelverluste durch elektrostatische Effekte zu vermeiden, werden elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden, die geerdet sind. Da auch Salzaerosole eingesetzt werden, besteht das Rohrleitungssystem aus rostfreiem Stahl.

Die Entnahme des Prüfaerosols orientiert sich an DIN EN 15259 [10]. Hiernach soll der Entnahmepunkt so gelegt werden, dass die Entnahme des Aerosols in einem geraden Abschnitt mit konstanter Form und konstantem Querschnitt erfolgt. Dabei soll die Einlaufstrecke mindestens fünf hydraulischen Durchmesser, die Auslaufstrecke mindestens zwei hydraulische Durchmesser und die Strecke bis zum Ende des Kanals fünf hydraulische Durchmesser betragen. Bei dem hier aufgeführten Rohrleitungssystem wurde ein Rohrdurchmesser von 12,5 cm verwendet. Das Gesamtvolumen beträgt etwa 26 l. Das Volumen bis zur Entnahmestelle beträgt etwa 21 l. Mit einem Volumenstrom von z. B. 50 l/min entspricht dies etwa einer Zeit von einer halben Minute, bis ein in den Prüfstand eintretender Partikel wieder entnommen werden kann.

Um den Einfluss einer nicht homogenen Verteilung im Aerosolprüfstand zu minimieren, erfolgt die Entnahme des Aerosols aus der Kernströmung. Die Entnahmestellen sind gleichmäßig am Rohrleitungssystem in einer Höhe von 1,7 m bis 1,8 m angebracht. Hier wird zusätzlich der Volumenstrom, Lufttemperatur, Luftdruck und Luftfeuchte erfasst.

Das erzeugte Aerosol wird nach der Entnahmestelle durch ein Abluftrohr aus dem Labor geleitet. Da UFP-Messgeräte sehr unterschiedlich auf den Systemdruck reagieren, wurde auf eine drucklose Absaugung geachtet und der Druck mit einem Differenzdruckmessgerät kontrolliert. Erfahrungsgemäß sollte die Druckdifferenz zur Umgebung maximal 100 Pa betragen.

Bild 11 stellt den Aufbau des Aerosolprüfstandes im Labor dar. Am Aerosolprüfstand können mit unterschiedlichen Generatoren Prüfaerosole in unterschiedlicher Konzentration und Partikelanzahlgrößenverteilung hergestellt werden.

Bild 11 Aerosolprüfstad zur Erzeugung von UFP mit Hilfe unterschiedlicher Generatoren zur Funktionsprüfung von UFP-Messsystemen (links), Entnahmestellen (Mitte), Rohrsystem von innen mit Entnahmestellen und Messsonden (rechts), Bildquelle: Baron, LUBW

5.2 Eingesetzte Aerosolgeneratoren und Partikelmaterialien

Zur Erzeugung von Aerosolen im Ultrafeinbereich wurden am Prüfstand ausgewählte Generatoren und Partikelmaterialien getestet.

5.2.1 PAG 1000 Fa. Palas

Dieser Aerosolgenerator ist zur Erzeugung von Tröpfchenaerosolen geeignet und wird mit einer internen Pumpe betrieben, die mit Hilfe eines Drehschalters angesteuert werden kann [11]. Der PAG 1000 besteht aus einer Zweistoffdüse. Der Dispergiergasvolumenstrom tritt von oben in das Rohr ein, wird um 90° umgelenkt und tritt im engsten Querschnitt mit sehr hoher Geschwindigkeit in die Flüssigkeit mit Partikelmaterial ein. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit unterhalb der weiteren Bohrungen wird das Partikelmaterial durch diese Bohrungen gesaugt und es bildet sich ein sehr intensives Luftblasengemisch innerhalb und außerhalb des Partikelmaterials. Beim Platzen der Blasen entsteht ein Aerosol [12].

Als Partikelmaterialien zur Aerosolerzeugung werden unterschiedliche Materialien verwendet (siehe auch VDI 3491 Blatt 2 [12]):

• Partikelgrößenstandard auf Polystyrolbasis (Latex)
• DEHS-Lösung (Di-Ethyl-Hexyl-Sebacat)
• NaCl-Lösung
• KCl-Lösung

5.2.2 Rußgenerator DNP digital 3000 Fa. Palas

Der DNP digital 3000 erzeugt durch Hochspannungsfunken zwischen zwei Elektroden kleinste Kohlenstoffpartikel. Um eine Oxidation des Kohlenstoffs zu vermeiden, wird der Raum zwischen den Elektroden mit Stickstoff gespült. Der verdampfte Kohlenstoff wird mit dem Stickstoffstrom transportiert und kondensiert zu kleinsten Partikeln, die Agglomerate bilden. Über die Frequenz des Funkens lässt sich der Partikelmassenstrom variieren. Der Elektrodenabbrand wird durch automatische Nachführung der Elektroden kompensiert. Dadurch soll der konstante Betrieb gewährleistet werden [13]. Im Rahmen dieser ersten Versuche wurden unterschiedliche Einstellungen am Rußgenerator sowie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse getestet.

5.3 Ergebnisse

In folgenden Abschnitt werden die ersten Ergebnisse dargestellt, die am Aerosolprüfstand mit den unterschiedlichen Partikelmaterialien und Aerosolgeneratoren erzielt wurden. Zum Zeitpunkt der Abgabe des Berichts wurden noch nicht alle Versuche durchgeführt bzw. ausgewertet, weshalb die Ergebnisse teilweise noch ergänzt werden.

5.3.1 Laborvergleichsmessungen mit dem Aerosolgenerator PAG 1000

Vergleichsmessungen mit PS-Partikelgrößenstandard

Mit einem PS-Partikelgrößenstandard (107 nm + 2 nm, NIST rückführbar) wurde bei den SMPS-Systemen die Größenklassierung im genannten Größenbereich überprüft. Bild 12 zeigt das Ergebnis dieses Versuchs am Beispiel eines der eingesetzten SMPS. Die Größenklasse konnte bei allen SMPS-Systemen richtig bestimmt werden. Weitere Tests mit weiteren PS-Partikelgrößenstandards sind in Arbeit.

Bild 12 Partikelanzahlgrößenverteilung nach Einspritzung eines PS-Partikelgrößenstandards mit 107 nm + 2 nm, NIST rückführbar, SMPS 1 im Container 1

Vergleichsmessungen mit DEHS

Bei den Versuchen mit DEHS hat sich herausgestellt, dass bei der Erzeugung der Partikel vor allem größere Partikel > 300 nm zur Partikelanzahlkonzentration beitragen und deshalb die Aerosolerzeugung mit DEHS zur Prüfung der Partectoren, die eine Partikelgröße von 10 nm bis 300 nm erfassen, nicht geeignet ist.

Vergleichsmessungen mit NaCl

Um die Messbereiche und die Vergleichbarkeit der UFP-Messgeräte zu prüfen, wurden mit Hilfe eines Aerosolgenerators PAG 1000 der Fa. Palas im Labor unterschiedliche NaCl-Prüfaerosole hergestellt. Das Aerosol wurde in den ersten Versuchen nach Trocknung mit Silicagel in einen Exsikkator mit einem Rührer geleitet, um eine homogene Verteilung der Partikel zu gewährleisten und Konzentrationsschwankungen auszugleichen. Um Konzentrationsspitzen, wie sie in der Außenluft vorkommen können, zu simulieren, wurden Partikelanzahlkonzentrationen von 20.000 cm^–3 bis 200.000 cm^–3 erzeugt und den Messgeräten, die in den Minicontainern eingebaut waren, zur Verfügung gestellt. Die Ergebnisse hierzu wurden bereits veröffentlicht [3].

In diesem Laborversuch wurde eine 1% NaCl-Lösung mit Hilfe des PAG1000 erzeugt und nach Trocknung mit Silicagel dem Aerosolprüfstand zu Verfügung gestellt. Nach ersten Erkenntnissen lassen sich Partikelanzahlgrößenverteilungen im Durchschnitt von ca. 60 nm herstellen. Die Ergebnisse dieser Versuche, die im Bild 13 als Mittelwerte veranschaulich werden, haben gezeigt, dass die erzeugten NaCl- Aerosolkonzentrationen bei gleicher Einstellung am PAG 1000 nicht reproduzierbar sind und alle eingesetzten UFP-Messsysteme unterschiedliche Partikelanzahlkonzentrationen liefern. Während die SMPS etwa 20 % niedrigere Konzentrationen liefern als die CPC, zeigen die Partectoren um etwa 45% höhere Partikelanzahlkonzentrationen als die CPC. Dabei unterscheiden sich die drei eingesetzten SMPS sowie die zwei eingesetzten CPC untereinander um etwa 15% während die acht Partectoren eine Abweichung von 5% aufweisen.

Vergleichsmessungen mit KCl

Mit Kaliumchlorid lassen sich Partikelanzahlgrößenverteilungen mit einem Maximum von ca. 100 nm herstellen. Nach den ersten Erkenntnissen sind die erzeugten KCl-Aerosolkonzentrationen nicht reproduzierbar und alle eingesetzten UFP-Messgeräte liefern unterschiedliche Partikelanzahlkonzentrationen. Auffällig ist jedoch, dass die Ergebnisse der Partectoren, CPC und SMPS unabhängig von der Konzentration stets im gleichen Verhältnis zueinander liegen. Während der SMPS um 20% weniger erfasst als der CPC, liefern die Partectoren etwa doppelt so hohe Partikelanzahlkonzentrationen als die SMPS.

5.3.2 Laborvergleichsmessungen mit dem Aerosolgenerator DNP digital 3000

Mit dem Rußgenerator DNP digital 3000 Fa. Palas lassen sich vor allem kleinste Partikel herstellen. Durch Variation von Spannung, Frequenz und des Volumenstroms werden unterschiedliche UFP-Konzentrationen und Partikelanzahlgrößenverteilungen erzeugt.

Bild 14 zeigt unterschiedliche Partikelanzahl-Konzentrationsniveaus, die mit Hilfe des Rußgenerators generiert wurden. Die CPC liefern unabhängig vom Konzentrationsbereich etwa doppelt bis dreifach so hohe Konzentrationen als die SMPS-Systeme oder Partectoren.

Bild 14 UFP- Messungen am Aerosolprüfstand mit einem Rußgenerator DNP digital 3000 in drei unterschiedlichen Konzentrationsniveaus mit den UFP-Messsystemen CPC, SMPS und Partector

Da die frisch erzeugten Rußpartikel, die vom Rußgenerator DNP digital 3000 erzeugt werden, zum Teil mehrfach geladen sind und die Ladungsverteilung nicht der Umgebungsluft entspricht, führt dies zu Minderbefunden bei den Messsystemen SMPS und Partector. In weiteren Tests wird deshalb mit einem Neutralisierer CD 2000A der Fa. Palas gearbeitet, der direkt nach dem Rußgenerator installiert wird. Dem Neutralisierer werden dabei am Aerosoleinlass die frisch erzeugten, teilweise mehrfach geladenen Rußpartikel zugeführt, der Mischlufteinlass wird an die Druckluft angeschlossen. Der Mischluftstrom wird über zwei Ionisationskammern geführt. In den Ionisationskammern wird die Luft durch Korona-Entladung mit positiver bzw. negativer Hochspannung mit Ionen angereichert. In einer kleinen Mischkammer wird dann der Aerosolluftstrom und der mit Ionen angereicherte Mischluftstrom vermischt. Durch die Ionen in der Mischluft werden die Ladungen der Rußpartikel im Aerosol neutralisiert. Hierfür ist eine gewisse Zeit erforderlich. Das heißt, dass die vollständige Entladung erst im Volumen nach dem Auslass der CD 2000A stattfindet, im Rohrsystem des Aerosolprüfstandes. Ein grober Richtwert für die Verweildauer liegt laut Hersteller um 0,5 Sekunden [14]. Dies kann in den hier durchgeführten Versuchen eingehalten werden.

Im Bild 15 und Bild 16 ist die Partikelanzahlkonzentration und die durchschnittliche Partikelgröße der vom Rußgenerator erzeugten Partikel jeweils mit und ohne vorgeschaltetem Neutralisierer dargestellt. Die Einstellungen am Rußgenerator wurden bei den hier durchgeführten Versuchen nicht verändert.

Die erste Auswertung der Partikelanzahlkonzentration zeigt, dass die SMPS-Systeme und die Partectoren unter Einsatz des Neutralisierers vergleichbarere Partikelanzahlkonzentrationen liefern. Der CPC erfasst unter den Versuchsbedingungen knapp 40% höhere Konzentrationen (Bild 15).

Für die Partikelgröße bei eingeschaltetem Neutralisierer zeigt sich: Beim SMPS und beim Partector wird eine Zunahme der durchschnittlichen Partikelgröße festgestellt (Bild 16). Dies ist darauf zurückzuführen, dass ohne den Einsatz des Neutralisierers CD 2000A beide Messgeräte den Anteil der kleinsten Partikel wegen der Ladungsverteilung der Rußpartikel überschätzen.

Bild 15 Partikelanzahlkonzentrationen erzeugt am Aerosolprüfstand mit Hilfe des Rußgenerator DNP digital 3000 Fa. Palas, mit und ohne Einsatz des Neutralisierers CD 2000A, Fa. Palas

Bild 16 Durchschnittliche Partikelgröße bei UFP-Messungen am Aerosolprüfstand mit dem Rußgenerator DNP digital 3000 Fa. Palas, mit und ohne Einsatz des Neutralisierers CD 2000A Fa. Palas

6 Zusammenfassung und Ausblick

Die LUBW hat seit 2020 Laborversuche und Außenluftmessungen mit unterschiedlichen UFP-Messgeräten durchgeführt. Dabei wurden die Messeigenschaften und Messergebnisse der SMPS-Systeme und der CPC-Systeme der Fa. Palas sowie die der Handmessgeräte Partectoren der Fa. naneos miteinander verglichen. An Messstandorten mit unterschiedlich zu erwartenden Partikelanzahlkonzentrationen wurden Vergleichsmessungen durchgeführt und die Messgeräte auf ihre Erfassungs- und Belastungsgrenzen, Genauigkeit sowie die Eignung im Luftmessnetz für einen kontinuierlichen Betrieb eingesetzt zu werden, überprüft.

Die Ergebnisse zeigen, dass generell bei der Interpretation von Messergebnissen von UFP sowohl die Partikelanzahlgrößenverteilung in der Außenluft als auch der Partikelgrößen-Messbereich der Geräte berücksichtigt werden muss. Liegt die Partikelgrößenverteilungen des Aerosols in der Schnittmenge (10 nm – 300 nm) der unterschiedlichen Messgeräte, stimmen die Messergebnisse gut überein. Dominieren kleine Partikel unter 20 nm, unterscheiden sich die Ergebnisse deutlich stärker, bedingt durch die geräteabhängige unterschiedliche untere Partikelgrößen-Erfassungsgrenze (cut-off).

Bei Partikelanzahlkonzentrationen über 100.000 cm^–3 zeigt der CPC deutliche Abweichungen im Vergleich zu anderen Messgeräten. Dies ist bauartbedingt darauf zurückzuführen, dass die Messung der Partikel beim eingesetzten CPC bei Konzentrationen ab etwa 100.000 cm^–3 über die Extinktion des Kollektivs (Nephelometermodus) erfolgt und nicht mehr über die Auswertung des Streulichts. Die Erkenntnisse aus Laborversuchen haben sich bei Außenluftmessungen an einer Bundesstraße in Karlsruhe bestätigt. Das SMPS-System eignet sich systembedingt nicht für Partikelanzahlkonzentrationsmessungen in Straßennähe, wenn die Partikelanzahlkonzentrationen sich stark in kurzen zeitlichen Abständen verändern, weil die zeitliche Auflösung wegen der Scanvorgänge der einzelnen Partikelgrößenbereiche mehrere Minuten Zeit in Anspruch nimmt.

Die Außenluftmessungen haben gezeigt, dass Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von deutlich unter 100 nm maßgeblich zur Partikelanzahlkonzentration in der Außenluft beitragen. In der Nähe einer Bundesstraße lagen diese meist um 20 nm. Im städtischen Hintergrund lagen die Partikelgrößen im Schnitt um 60 nm. Größere Partikel oberhalb von etwa 300 nm tragen kaum zur Gesamtpartikelkonzentration bei.

Bei den mit den unterschiedlichen UFP-Messgeräten parallel ermittelten Partikelanzahlkonzentration, die im städtischen Hintergrund erhoben wurden, zeigen sich gute Übereinstimmungen. Treten größere Unterschiede auf, lassen sich diese aus dem Messbereich der Messgeräte und/oder aus der Partikelanzahlgrößenverteilung erklären. Im städtischen Hintergrund liegt die UFP-Konzentration, die an den Standorten während der Messkampagnen ermittelt wurde, je nach Messort und Monat zwischen 3.500 cm^–3 und 10.000 cm^–3. Diese Ergebnisse decken sich mit langjährigen UFP-Messungen anderer Institute in Deutschland [1].

Die Partectoren haben im Gegensatz zum CPC oder einem SMPS einen sehr geringen Platzbedarf und sind in kleinste Messcontainer integrierbar. Sie sind deutlich kostengünstiger und benötigen keine weiteren Betriebsmittel außer Strom. Die Labor- und Außenluftmessungen haben gezeigt, dass die verwendeten Partectoren der Fa. naneos zur Erfassung der UFP-Konzentrationen im Rahmen der herstellerseitig zugesicherten Messeigenschaften für Messungen an beliebigen Messstellen geeignet sind. Je nach Fragestellung können diese Messungen durch die kosten- und betreuungsintensiven als auch aufwändigeren Systeme SMPS und CPC ergänzt werden.

Zur Qualitätssicherung der UFP-Messungen hat die LUBW im Labor einen Aerosolprüfstand aufgebaut, mit dem die eingesetzten UFP-Messgeräte einer Funktionsprüfung unterzogen werden. Hierzu werden den Messsystemen Partikel unterschiedlicher Größen angeboten, die mit Hilfe eines Rußgenerators DNP 3000 oder eines PAG 1000 erzeugt werden. Beim Rußgenerator ist das frisch erzeugte Aerosol zum Teil mehrfach geladen, weshalb zunächst keine einheitlichen Messergebnisse an den verschiedenen Messsystemen ermittelt werden konnten. Erste Versuche mit einem vorangeschaltetem Neutralisator haben gezeigt, dass die frisch erzeugten und noch mehrfach geladenen Ionen neutralisiert werden können. Dadurch stimmen die mittels SMPS und Partector festgestellten Partikelanzahlkonzentration und die durchschnittliche Partikelgröße besser überein.

Die Messungen am Aerosolprüfstand finden seit Dezember 2022 statt. Es sind noch weitere Untersuchungen nötig um reproduziere, qualitätsgesichert Aerosole mit definierten Eigenschaften zu erzeugen und um Funktionsprüfungen bei den Messsystemen durchführen zu können.

7 Literatur

1. W. Birmili, A. Pietsch, T. Niemeyer, J. Kura, S. Hoffmann, A. Daniels, J. Zhao, J. Sun, B. Wehner, A. Wiedensohler. Vorkommen und Quellen ultrafeiner Partikel im Innenraum und in der Außenluft - Aktueller Kenntnisstand. Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft. VDI Fachmedien, S. 33-43, 2020.
2. WHO. WHO Global Air Quality Guidelines, Particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide. 22.09.2021.
3. H. Creutznacher, A. Brennfleck, J. Gulden. Etablierung von Messverfahren zu Immissionsmessungen ultrafeiner Partikel (UFP) im Luftmessnetz Baden- Württemberg. Kolloquium Luftqualität an Straßen 2021. FGSV-Verlag GmbH 50999 Köln, S.56 -82, 2021
4. VDI 3871. Messen von Partikeln in der Außenluft. Elektrische Aerosolmonitore auf Basis der Diffusionsaufladung (DCAM). 2018-12.
5. VDI 3867 Blatt 2. Messen von Partikeln in der Außenluft - Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung von Aerosolen - Grundlagen. 2009-09.
6. DIN CEN/TS 16976. Außenluft - Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration des atmosphärischen Aerosols. 2016-11.
7. VDI 3867 Blatt 3. Messen von Partikeln in der Außenluft - Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung von Aerosolen - Grundlagen. 2009-09.
8. DIN CEN/TS 17434. Außenluft-Bestimmung der Partikelanzahlgrößenverteilung des atmosphärischen Aerosols mit einem Mobilitäts-Partikelgrößenspektrometer (MPSS). 2020.
9. VDI 3491 Blatt 1. Messen von Partikeln - Herstellungsverfahren für Prüfaerosole - Grundlagen und Übersicht. 2016-07.
10. DIN EN 15259. Luftbeschaffenheit - Messung von Emissionen aus stationären Quellen - Anforderungen an Messstrecken und Messplätze und an die Messaufgabe, den Messplan und den Messbericht. 2008-01.
11. Internetseite Palas. https://www.palas.de/product/pag1000. Abgerufen am 31.01.23
12. VDI 3491 Blatt 2. Messen von Partikeln - Herstellungsverfahren für Prüfaerosole Dispergierung von Flüssigkeiten. 2017-01.
13. Palas. Bedingungsanleitung, Aerosolgenerator DNP digital 3000. 2021-10
14. Palas. Bedingungsanleitung, Korona-Entladestrecke CD 2000. 2007-02