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Luftverschmutzung wird allgemein von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) definiert als "Verunreinigung der Innen- oder Außenumgebung durch chemische, physikalische oder biologische Stoffe, die die natürlichen Eigenschaften der Atmosphäre verändern" [1]. Eine hohe Luftverschmutzung kann zu Atemproblemen, Herzerkrankungen und anderen Krankheiten (z. B. Krebs) führen. Sie kann auch sauren Regen verursachen, Ernten schädigen, das Pflanzenwachstum und die Produktivität verringern und der Tierwelt schaden. Da 99 % der Weltbevölkerung Luft einatmet, die von der WHO festgesetzten Grenzwerte überschreitet [1,2], ist dieses Problem von übergeordneter Bedeutung. Unter den verschiedenen Luftschadstoffen sind Feinstaub und Aerosole besonders besorgniserregend. In diesem Blog-Artikel wird ein vertiefter Blick auf die Verursacher der Luftverschmutzung geworfen und Lösungen zur kontinuierlichen Überwachung von Luftqualitätsparametern vorgestellt.
Kurze Einführung in das Thema Feinstaub und Aerosole
Feinstaub (PM, particulate matter) werden im Allgemeinen als kleine, in einem Gas suspendierte Feststoffpartikel definiert. Im Gegensatz dazu bezeichnet man mit Aerosolen feinere Flüssigkeitströpfchen oder Feststoffpartikel, die über einen längeren Zeitraum in Gasen suspendiert bleiben. Beide können sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken, vor allem wenn ihr Durchmesser weniger als 2,5 µm beträgt (PM2,5, Abbildung 1). Aerosole und PM können sowohl durch natürliche Ereignisse wie Vulkanausbrüche als auch durch anthropogene Aktivitäten wie Industrie und Verkehr entstehen. Daher ist es wichtig, die chemische Zusammensetzung dieser Schadstoffe zu analysieren. Zum einen werden darüber die langfristigen Auswirkungen nach der Exposition bestimmt. Zum anderen werden ihre Quellen ermittelt, damit Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen ergriffen werden können.
Einmal in der Luft, können diese winzigen Partikel über weite Strecken transportiert werden und weit entfernt von ihrer Quelle Komplikationen verursachen. Je kleiner die Partikel sind, desto tiefer können sie in das Atmungssystem eindringen. Mehrere Studien haben PM mit Gesundheitsproblemen (z. B. Atemwegserkrankungen) und Umweltproblemen (z. B. Beeinträchtigung der Sicht) in Verbindung gebracht [4–6]. Während gröbere Staubpartikel (PM10) meist von den Nasenhaaren zurückgehalten werden, können feinere Partikel (PM2,5) tief in die Lunge eindringen und dort Reizungen verursachen. Aerosole hingegen sind noch kleiner als PM-Partikel und können daher über längere Zeit in der Atmosphäre verbleiben.
Um einen besseren Einblick in die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf unsere Gesundheit und die Umwelt zu erhalten, sind genaue Messungen erforderlich, die die Menge und die chemische Zusammensetzung der Teilchen mit einer hohen zeitlichen Auflösung bestimmen. Die Entnahme von repräsentativen Proben und die damit verbundene Analyse sind jedoch die größte Herausforderung bei der Luftüberwachung.
Luftüberwachung – damals und heute
Die Analyse von Feinstaub und Aerosolen besteht in der Regel aus zwei Schritten: Probenahme und Analyse. Um eine repräsentative Probe zu sammeln, ist es wichtig, geeignete Probenahmegeräte und -techniken zu verwenden.
Bei der Probenahme ist die Verwendung eines Filtrationsverfahrens weit verbreitet. Die Partikel werden auf Trägermaterialien mit Filtern gesammelt, die nach einer bestimmten Zeit zur Extraktion mit deionisiertem Wasser für die anschließende Analyse entfernt werden [7]. Mit dieser Methode lassen sich jedoch nur Durchschnittswerte über einen Zeitraum von 24 Stunden oder mehr ermitteln. Außerdem ist die Methode umständlich und ungenau, was eine kontinuierliche und engmaschige Online-Analytik unmöglich macht.
Kontinuierliche Probenahmen sind von größter Bedeutung, da sie eine empfindliche Überwachung der Veränderungen in der ionischen Zusammensetzung der Aerosole ermöglichen. Doch wie lässt sich das bewerkstelligen?
Metrohm Process Analytics ist ein bekannter Anbieter von analytischen Lösungen für die Luft- und Aerosolanalytik mit viel Erfahrung und Know-how auf diesem Gebiet. Wir bieten ein umfassendes Portfolio an modernen Analysensystemen, Software und Zubehör, die eine genaue und zuverlässige Messung von luftgetragenen Partikeln ermöglichen.
Speziell für die Überwachung von Aerosolen und/oder Gasen in der Umgebungsluft wurde der Metrohm AeRosol Sampler (MARS) und der 2060 Monitor for AeRosole und Gas entwickelt Abbildung 2.
Für die chemische Analyse wird das MARS-System (Abbildung 3) mit nasschemischen Analysatoren wie einem Ionenchromatographen (IC) oder einem voltammetrischen System gekoppelt, während das 2060 MARGA über integrierte ICs verfügt (siehe Video unten).
Beide Systeme enthalten einen rotierenden Diffusionsabscheider (Wet Rotating Denuder "WRD", Abbildung 4), einen Dampfstrahl-Aerosolsammler (Steam-Jet Aerosol Collector "SJAC", Abbildung 5) sowie Pump- und Steuergeräte. Ebenso basieren beide auf dem selben Prinzip - übersättigter Dampf wird eingeleitet, der die Aerosole innerhalb kurzer Zeit zu größeren und schwereren Tröpfchen anwachsen lässt. Diese werden aufgrund ihrer Trägheit abgeschieden und mit einer Hilfsflüssigkeit weitergepumpt. Die so gelösten Aerosolspezies werden gesammelt und kontinuierlich zur Analyse entnommen.
MARS vs. 2060 MARGA – was ist die richtige Wahl?
Während MARS nur für die Probenahme von Aerosolen konzipiert wurde, bestimmt das 2060 MARGA zusätzlich wasserlösliche Gase. Im Vergleich zu den klassischen Denudertechniken, bei der Gase aus der Luftprobe vor dem Aerosolsammler entfernt werden, sammelt das 2060 MARGA die gasförmigen Spezies in einem WRD zur Online-Analyse. Im Gegensatz zu den Gasen haben Aerosole eine geringe Diffusionsgeschwindigkeit und passieren daher den WRD ohne Störungen.
Das 2060 MARGA ist in zwei Konfigurationen erhältlich: R (Forschung) und M (Überwachung). Die Version 2060 MARGA R ist für Forschungskampagnen gedacht, z. B. zur Untersuchung der saisonalen Schwankungen der Luftqualität. Wenn der Ionenchromatograph nicht in Gebrauch ist, kann er abgekoppelt und für andere Laboruntersuchungen verwendet werden. Für eine dauerhafte 24/7-Luftqualitätsüberwachung wird der 2060 MARGA M eingesetzt.
Im Vergleich dazu kann das MARS als Probenvorbereitungssystem für verschiedene Analysentechniken (Abbildung 7) in Umgebungs- oder Industrieumgebungen verwendet werden, z. B. für ein IC, ein voltammetrisches (VA) Instrument, ein Massenspektrometer (MS) oder einen TOC-Analyzer. Alternativ können die Proben für die Offline-Bestimmung mit einem Autosampler gesammelt werden. Um die Ergebnisse sofort auszuwerten, kann das MARS auch per Fernzugriff mit einem beliebigen Analysensystem verbunden werden. Das 2060 MARGA hingegen verfügt über zwei integrierte ICs, so dass keine andere Analysetechnik gekoppelt werden muss.
Tabelle 1. Unterschiede zwischen dem 2060 MARGA und dem MARS. Das 2060 MARGA R ist für Forschungszwecke mit einem nicht integrierten Ionenchromatographen ausgestattet, während das 2060 MARGA M mit seinen zwei integrierten ICs für die Überwachung der Luftqualität vorgesehen ist.
| MARS | 2060 MARGA | |
|---|---|---|
| Probevolumen | Große Luftproben: 0,5–1,0 m3/H | Große Luftproben: 0,5–1,0 m3/H |
| Art der Schadstoffe | Passend für nur Aerosole Analyse Aerosole: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ |
Aerosole und Gase Analyse Aerosole: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ Gase: HCl, HNO3, HONO (HNO2), SO2, NH3, HF |
| MARS kann verschiedene Schadstoffe wie Sulfat-, Nitrat- und Ammoniumionen messen. | MARGA kann verschiedene Schadstoffe wie Sulfat-, Nitrat- und Ammoniumionen sowie Spurengase wie Schwefeldioxid und Ammoniak messen. | |
| Analysemethode | Kann mit verschiedenen Analysetechniken kombiniert werden (z. B. IC, VA usw.) | Zwei integrierte ICs |
| Einzelne oder mehrere Analysetechniken | Einzelanalysetechnik | |
| Zeitliche Auflösung | Kontinuierliche Luftüberwachung | Kontinuierliche Luftüberwachung |
| Methode zur Probenentnahme | SJAC | WRD und SJAC |
| Abmessungen in mm (B/H/T) | 660/605/605 | 2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605 |
| Einsatzgebiet | Forschung | 2060 MARGA R – Forschungskampagnen 2060 MARGA M – Dedizierte kontinuierliche Überwachung |
Nachfolgend werden die Ergebnisse der Überwachung von Aerosolen mittels 2060 MARGA und MARS verglichen, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu untersuchen. Dank des jahrelangen Know-How im Bereich der Aerosolanalytik, ist die Genauigkeit der Ergebnisse die mit einem 2060 MARGA analysiert werden, bekannt [8]. Vergleichbare Ergebnisse mit einem MARS System würde auf eine gute Korrelation beider Techniken hinweisen.
Die nachstehenden Diagramme zeigen die Ergebnisse der Analyse der Umgebungsluft in Schiedam, Niederlande, die zwischen dem 6. und 9. Juni 2022 sowohl mit dem 2060 MARGA als auch mit dem MARS-System mittels Ionenchromatographie gemessen wurden (Abbildung 6). Das 2060 MARGA hat eine Zykluszeit von 60 Minuten (normale Zykluszeit), während das MARS eine Zykluszeit von 30 Minuten hat. Die Daten zeigen einen ähnlichen Verlauf. Weil aber das MARS die doppelte Datenmenge erzeugt, ist seine Datendichte höher als die des 2060 MARGA. Werden die Daten mit Hilfe eines gleitenden Durchschnitts auf 60 Minuten korrigiert, so sind die von MARS und 2060 MARGA angegebenen Konzentrationen ähnlich.
Fazit
Die Überwachung der Luftverschmutzung ist von entscheidender Bedeutung, da sie uns Aufschluss über die Art und den Gehalt der Schadstoffe in der Umgebungsluft gibt. Die Exposition gegenüber Luftverschmutzung kann zahlreiche Gesundheitsprobleme verursachen, darunter Erkrankungen der Atemwege, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und sogar Krebs. Sie kann auch die Umwelt schädigen, indem sie sauren Regen und Ozonabbau verursacht und zum Klimawandel beiträgt. Es ist wichtig, die Luftqualität mit Instrumenten wie dem MARS oder 2060 MARGA von Metrohm Process Analytics zu messen, um ihre Auswirkungen zu verstehen und wirksame Strategien zur Reduzierung der Belastung zu entwickeln. Auf diese Weise können wir auf die Schaffung einer gesünderen und nachhaltigeren Umwelt für uns alle hinarbeiten.
Referenzen
[1] Weltgesundheitsorganisation. Luftverschmutzung – Überblick. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (abgerufen am 22.06.2023).
[2] Globale Luftqualitätsrichtlinien der WHO: Feinstaub (PM2.5 und PM10), Ozon, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid und Kohlenmonoxid; Weltgesundheitsorganisation: Genf, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228
[3] US-EPA. Grundlagen zu Feinstaub (PM).. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (abgerufen am 22.06.2023).
[4] Venners, S. A.; Wang, B.; Xu, Z.; et al. Feinstaub, Schwefeldioxid und tägliche Sterblichkeit in Chongqing, China. Environ. Health Perspect. 2003, 111 (4), 562–567. DOI:10.1289/ehp.5664
[5] Zhang, J.; Lied, H.; Tong, S.; et al. Sulfatkonzentration in der Umgebung und Sterblichkeit durch chronische Krankheiten in Peking. Sci. Total Environ. 2000, 262 (1–2), 63–71. DOI:10.1016/s0048-9697(00)00573-8
[6] US-EPA. Gesundheits- und Umweltauswirkungen von Feinstaub (PM). https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (abgerufen am 27.03.2023).
[7] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. Ein Probenehmer zum Sammeln feiner Partikel in flüssigen Suspensionen. Aerosol-Luftqual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616
[8] Läubli, M. Luftüberwachung durch Ionenchromatographie – eine Literaturreferenzübersicht, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html
Ihr Wissen zum Mitnehmen
Metrohm AeRosol Sampler «MARS»
2060 MARGA – Monitor für Aerosole und Gase in der Umgebungsluft
Blog: Unübertroffene Flexibilität in der Online-Ionenanalyse: Der 2060 IC Process Analyzer
