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03| 2016

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Special Messtechnik &

Special Messtechnik & Analyse Zeitgemäße Messtechnik für die Bestimmung von Feinstäuben Die gesundheitliche Relevanz von Feinstäuben wird neben der Staubmasse wesentlich durch die Partikelanzahl und -größe bestimmt. Da wir uns zeitlich überwiegend in Innenräumen aufhalten, ist eine Messung und Überwachung von Partikeln hier besonders wichtig. Ein neues Messgerät der Grimm Aerosol Technik GmbH ermöglicht dies. Studien zur gesundheitlichen Belastung durch Feinstaub zeigen, dass neben der Feinstaubmasse, deren Messung und Überwachung durch Grenzund Richtwerte der Weltgesundheitsorganisation geregelt ist, besonders die Größe und Anzahl sowie die aktive Oberfläche der Partikel ein wichtige Rolle spielen [1]. Je kleiner diese sind, umso tiefer können sie in die Lunge und damit in den menschlichen Organismus eindringen. In Abhängigkeit der Dosis kann dies zu Lungen- sowie Herz-Kreislauferkrankungen führen. Ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm passieren sogar die Alveolen und gelangen in den Blutkreislauf. Dort werden sie in verschiedene Organe transportiert und auch im Gehirn abgeschieden. Die gesundheitlichen Auswirkungen dieser Vorgänge sind noch wenig erforscht. Immerhin verbleiben etwa 80 % der ultrafeinen Partikel im menschlichen Organismus und reichern sich an, da der Körper sie nicht erkennt und somit gezielt ausscheiden kann. Bild 1 zeigt ein Messergebnis zu Mehlstaub in einer Bäckerei: Die kleinen Partikel bestimmen die Anzahlkonzentration und tragen relativ wenig zur Staubmasse bei. Etwa 70 % der Staubmasse wird von nur 10 % der großen Partikel bestimmt [2]. Messung und Beurteilung von Partikeln Die Messung und Beurteilung der Partikelanzahl und -größe ist ein wichtiger Baustein, um die gesundheitliche Belastung des Menschen durch Stäube bewerten zu können, und um geeignete Maßnahmen zur deren Verringerung einzuleiten. Die ultrafeinen Partikel entstehen überwiegend durch Verbrennungsvorgänge und in zahlreichen europäischen Städten ist die dominierende Quelle in der Außenluft daher der Kraftfahrzeugverkehr [3]. Aber auch in Innenräumen und am Arbeitsplatz gibt es zahlreiche Quellen von ultrafeinen Partikeln, beispielsweise durch Löt- und Schweißarbeiten. Entstehen sie bei mechanischen Tätigkeiten wie dem Fräsen oder Drehen werden überwiegend größere Partikel im µm-Bereich erzeugt, deren Erfassung aus lufthygienischer Sicht auch bedeutsam ist. Bei der Beurteilung einer Belastung in Innenräumen darf nicht unberücksichtigt bleiben, dass neben lokalen Quellen im Raum die Partikelkonzentration wesentlich durch die Feinstaubbelastung der Außenluft beeinflusst wird. Das Gerät erfasst kontinuierlich und in Echtzeit ein weites Partikelgrößenspektrum. Die zeitliche Auflösung der Messwerte beträgt eine Minute und ermöglicht die Beobachtung und Identifizierung auch kurzer Prozesse, die zur Staubbelastung beitragen. Anforderungen an die Messtechnik Die zuvor aufgeführte gesundheitliche Belastung erfordert eine zeitgemäße Messtechnik, die mit hoher zeitlicher Auflösung Partikelanzahl und -größe zuverlässig und in Echtzeit bestimmt. Erforderlich ist das, um auch kurzfristige Ereignisse beobachten zu können, und dann entsprechende Maßnahmen wie zum Beispiel das Öffnen eines Fensters oder das Einschalten eines Abzuges vorzunehmen. Wichtig ist dabei, dass die Messergebnisse und deren erste Interpretation in Echtzeit vorliegen, damit unmittelbar gehandelt werden kann. Daher spielt auch die Datenerfassung und direkte Auswertung über informative Kundensoftware, etwa eine Ampel mit Farbumschaltung in Abhängigkeit der Belastung, ein wichtige Rolle. Präzise Messungen werden auch dadurch erschwert, weil sich die Partikel während der Probenahme und Messung leicht in Anzahl und Größe verändern können: Kleinere diffundieren an die Probenahmerohre, wachsen zu größeren zusammen oder werden von anderen eingefangen. Größere Partikel können durch Sedimentation und Impaktion verloren gehen. All diese Einflussfaktoren sollte eine moderne Messtechnik berücksichtigen. Messgerät zur Bestimmung und Überwachung der Partikel Ausgehend von diesen anspruchsvollen messtechnischen Aufgaben hat die Grimm Aerosol Technik GmbH ein Messgerät entwickelt, das nun auch kommerziell verfügbar ist – das MINI- WRAS. Neben einer sehr guten Messleistung standen eine möglichst einfache und intuitive Bedienung, eine verbrauchsmittelfreie Funktion sowie ein sehr geringer Wartungsaufwand im Fokus der Entwicklung. MINI steht für eine Miniaturisierung, denn das kleine und kompakte Gerät wiegt etwa 8 kg. WRAS steht für „Wide-Range Aerosol 28 UmweltMagazin März 2016

RessourceneffizMesstechnik & AnalysenSpecial Spectrometer“. Das weist darauf hin, dass das Gerät einen sehr weiten Bereich von Partikelgrößen erfasst, von rund 10 nm bis 35 µm, aufgeteilt in 41 verschiedene Partikelgrößenbereiche. Aufbau und Messprinzip Mit dem MINI-WRAS lassen sich die gesundheitlich relevanten Partikel im Innenraum und am Arbeitsplatz kontinuierlich und in Echtzeit bestimmen. Das Gerät kombiniert einen optischen und einen elektrischen Sensor. Sie beruhen auf zwei unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien: zum einen auf der Lichtstreuung an Einzelpartikeln im optischen Sensor und zum anderen auf der Messung der elektrischen Beweglichkeit eines Partikels in einem elektrischen Feld [4]. Der elektrische Sensor bestimmt die Partikel im unteren Größenbereich von 10 bis 250 nm, der optische Sensor misst die Partikel im Größenbereich von 250 nm bis 35 µm. Dabei handelt es sich um ein Laseraerosolspektrometer, das jeden einzelnen Partikel detektiert und über die Intensität der Streuung dessen Durchmesser bestimmt. Über die Anzahl der Streusignale in einem definierten Zeitraum und dem konstant geregelten Volumenstrom wird dann die Partikelanzahl ermittelt [5]. Anwendungsbeispiele Die hohe Messdynamik des MINI- WRAS ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung geringer Konzentrationen wie beispielsweise einer Hintergrundbelastung und die Analyse bestimmter Prozesse zur Partikelkonzentration. Literatur [1] Liu, L.; et al.: Effects of Ambient Coarse, Fine, and Ultrafine Particles and Their Biological Constituents on Systemic Biomarkers: A Controlled Human Exposure Study, EHP, Environmental Health Perspectives, 2014. [2] Grimm Aerosol Technik GmbH, www.grimm-aerosol.com. [3] Ripamont, G.: Investigation of ambient levels and personal exposure to fine and ultrafine particles in urban environments, doctoral dissertation at Politecnico di Milano, 2013. [4] Pesch, M.: Assembly to a pre-prototype for functional evaluation of the number and volume calculation, Report 9.2 of NANODEVICE, EU project Grant No. 211464. [5] Eatough, D. J.; Grimm H.: The Use of Optical Light Scattering for the Determination of Particulate Size Distribution, and Particulate Mass, Including the Semi-Volatile Fraction, Journal of Air & Waste Manage. Assoc. 59:101–107, 2009. Bilder: Grimm Bild 1: Messergebnis zu Mehlstaub in einer Bäckerei. Bild 2: Anstieg der Partikelanzahl während eines Lötprozesses. Bild 3: Partikelmassenverteilung während des Lötprozesses. Diese können zum Beispiel das Kopieren, Drucken, Löten wie auch mechanische Prozesse oder das Umschütten von Materialien sein. Quellen für Partikel in Innenräumen sind vielfältig vorhanden, daher gibt es für das neue Gerät zahlreiche Applikationen. Bild 2 verdeutlicht den Anstieg der Partikelanzahl während eines Lötprozesses und Bild 3 zeigt die dazugehörige Partikelmassenverteilung [2]. Diese beispielhaften Messungen bestätigen, dass Löten ganz wesentlich die Anzahl der Partikel erhöht und sehr feine Primärpartikel entstehen. Die größeren sind überwiegend Agglomerate, die aus kleinen Teilchen entstanden sind. Eine weitere Applikation ist die Überwachung der Partikelbelastung in Kraftfahrzeugkabinen. Messergebnisse zeigen, dass diese im Fahrzeuginneren wesentlich durch die Außenluft bestimmt wird. Aber auch die Qualität der eingesetzten Filter für die Zuluft sowie das Umschalten von Frisch- auf Umluft haben signifikante Einflüsse auf die Partikelbelastung im Fahrzeuginneren. Zukünftig könnten solche Messungen automatisch die Zuluft steuern beziehungsweise die notwendigen Serviceintervalle eines Partikelfilters für die Innenluft auf Basis realer Messungen ausgeben. Dr.-Ing. Markus Pesch, Grimm Aerosol Technik GmbH, Muldestausee, mp@grimm-aerosol.com UmweltMagazin März 2016 29

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