Kontinuierliche Feinstaubüberwachung

Luftverschmutzung wird 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]. Die Überwachung von Luftverschmutzung ist unerlässlich, da das Einatmen stark belasteter Luft zu Atemproblemen, Herzkrankheiten, Krebs und anderen schwerwiegenden Gesundheitsproblemen führen kann. Außerdem besteht das Risiko von saurem Regen, der Schädigung von Ernten, der Verringerung des Pflanzenwachstums sowie Schädigung der Tierwelt. Da 99% der Weltbevölkerung Luft einatmen, die die von der WHO festgelegten Qualitätsgrenzwerte überschreitet [1,2], ist dies ein weit verbreitetes Problem. Unter den verschiedenen Luftschadstoffen sind Feinstaub und Aerosole besonders besorgniserregend. In diesem Blog-Artikel werden diese Verursacher der Luftverschmutzung erörtert und zwei Analysensysteme zur kontinuierlichen Überwachung der Luftqualität vorgestellt.

Was ist der Unterschied zwischen Feinstaub und Aerosolen?

Abbildung 1. Vergleich der Partikelgröße. Angepasst von der US EPA.

Feinstaub (PM) sind kleine feste Partikel, die erst eine gewisse Zeit in der Atmosphäre überdauern bevor sie zu Boden sinken. Als Aerosole bezeichnet man feinere Flüssigkeitstropfen oder feste Partikel in einem Gas oder Gasgemisch. Beide können sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken, insbesondere wenn ihr Durchmesser weniger als 2,5 µm beträgt (PM_2,5, Abbildung 1).

Aerosole und PM können aus natürlichen Quellen wie Vulkanausbrüchen stammen, aber auch anthropogene Ursprungs, wie Industrie und Verkehr, sein. Daher spielt die Überwachung der industriellen Luftqualität eine entscheidende Rolle bei der Ermittlung von Emissionsquellen, dem Verständnis der chemischen Zusammensetzung und der Entwicklung von Strategien zur Verringerung der Exposition.

Wie erfolgt die Analyse von Feinstaub und Aerosolen?

Die Analyse von Feinstaub und Aerosolen besteht in der Regel aus zwei Schritten: Probenahme und Analyse. Um repräsentative Proben zu sammeln, ist es wichtig, geeignete Probenahmegeräte und -techniken zu verwenden.

Bei der Probenahme wird üblicherweise ein Filtrationsverfahren angewandt. Die Partikel werden auf Trägermaterialien mit Filtern gesammelt, die nach einer bestimmten Zeit mit deionisiertem Wasser für die anschließende Analyse extrahiert werden [4]. Mit dieser Methode lassen sich jedoch nur Durchschnittswerte über Zeiträume von 24 Stunden oder länger ermitteln. Außerdem ist die Methode umständlich und ungenau. Dies macht eine kontinuierliche Online-Messung unmöglich.

Im Gegensatz dazu ist eine kontinuierliche Probenahme entscheidend für die Überwachung der Luftqualität. Echtzeitdaten bieten wertvolle Einblicke in schnelle Veränderungen der Aerosolzusammensetzung, ermöglichen schnellere Reaktionen auf Verschmutzungsereignisse und unterstützen genauere wissenschaftliche Untersuchungen atmosphärischer Prozesse.

Um die Nachteile herkömmlicher Probenahmeverfahren zu überwinden, sind moderne Technologien für die kontinuierliche Aerosolanalyse erforderlich. Aerosolsammler wie der Metrohm AeRosol Sampler (MARS) und der 2060 Monitor für AeRosole und GAse in Umgebungsluft (MARGA) (Abbildung 2) bieten eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung der Aerosolzusammensetzung. Diese Systeme nutzen moderne Techniken zur Erfassung und Analyse von Aerosolen und liefern wertvolle Daten für die Beurteilung der Luftqualität.

Abbildung 2. Die Inline-Probenvorbereitung für gasförmige Proben wird mit dem 2060 MARGA (links) oder MARS (rechts) von Metrohm Process Analytics vereinfacht.

Abbildung 3. MARS ermöglicht eine umfassende Analyse von Luftproben mit IC, VA oder anderen geeigneten Nachweisverfahren.

Mit dem 2060 MARGA werden Gase und Aerosole, die aus der gleichen Luftmasse entnommen wurden, durch selektives Lösen in Wasser getrennt. Die resultierenden Lösungen, die stündlich zur Verfügung stehen, werden dann mittels Ionenchromatographie mit Leitfähigkeitsdetektion analysiert. Diese Trennung ermöglicht den Nachweis wichtiger Vorläufergase und ionischer Spezies in den Aerosolen, was ein umfassenderes Verständnis der Luftqualität ermöglicht.

MARS (Abbildung 3) ist speziell für die Analyse von Aerosolen konzipiert. Für die chemische Analyse wird das MARS-System in der Regel mit externen nasschemischen Analysatoren gekoppelt, wie z. B. Ionenchromatographen (IC) für die Kationen- und/oder Anionenanalyse oder voltammetrischen Systemen (VA). Dieser modulare Ansatz bietet eine größere Flexibilität und Anpassungsfähigkeit für ein breiteres Spektrum an analytischen Anforderungen.

Beide Systeme (2060 MARGA und MARS) bestehen aus einem rotierenden Diffusionsabscheider (Wet Rotating Denuder "WRD"; Abbildung 4, links), einem Dampfstrahl-Aerosolsammler (Steam-Jet Aerosol Collector "SJAC"; Abbildung 4, rechts) sowie Pumpen und einem Steuergerät. Die wasserlöslichen Gase werden im WRD absorbiert. Im Anschluss daran werden die wasserlöslichen Aerosole im SJAC extrahiert. Die Aerosolspezies aus dem SJAC und die Probe aus dem WRD werden für eine anschließende Analytik dem Ionenchromatographen zugeführt.

Abbildung 4. Links: Wet rotating denuder (WRD) zur einfachen Gasentfernung. Rechts: Steam-Jet Aerosol Collector (SJAC) in den MARS und 2060 MARGA integriert.

MARS vs. 2060 MARGA – Was ist die richtige Wahl?

Während MARS nur für die Probenahme von Aerosolen konzipiert wurde, bestimmt das 2060 MARGA auch wasserlösliche Gase. Im Vergleich zu den klassischen Denudertechniken, die Gase aus der Luftprobe vor dem Aerosolsammler entfernen, sammelt das 2060 MARGA die gasförmigen Spezies in einem WRD zur Online-Analyse. Im Gegensatz zu Gasen haben Aerosole eine geringe Diffusionsgeschwindigkeit und passieren daher den WRD ohne Störungen.

Das 2060 MARGA ist in zwei Konfigurationen erhältlich: R (Research) und M (Monitoring). Die Version 2060 MARGA R ist für Forschungskampagnen gedacht, z. B. für die Untersuchung der saisonalen Schwankungen der Luftqualität. Wenn er nicht gebraucht wird, kann der Ionenchromatograph abgekoppelt und für andere Arbeiten verwendet werden.

Für eine kontinuierliche Luftüberwachung an einem festen Standort ist das 2060 MARGA M besser geeignet.

**Tabelle 1.** Unterschiede zwischen den Systemen 2060 MARGA und MARS.
	MARS	2060 MARGA
Volumenstrom	0,5–1,0 m³/h	0,5–1,0 m³/h
Parameter	Nur für die Analyse von Aerosolen geeignet Aerosole: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺	Analyse von Aerosolen und Gasen Aerosole: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ Gase: HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
Parameter	MARS kann verschiedene Schadstoffe wie Sulfat-, Nitrat- und Ammonium-Ionen messen.	MARGA kann verschiedene Schadstoffe wie Sulfat-, Nitrat- und Ammonium-Ionen sowie Spurengase wie Schwefeldioxid und Ammoniak messen.
Analysenmethode	Kann mit verschiedenen Analyseverfahren kombiniert werden (z. B. IC, VA usw.)	Zwei integrierte ICs
Analysenmethode	Einzelne oder mehrere Analyseverfahren möglich	Einzelne Analysetechnik
Zeitliche Auflösung	Kontinuierliche Luftüberwachung	Kontinuierliche Luftüberwachung
Methode der Probenahme	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
Verwendungszweck	Forschung	2060 MARGA R – Forschungskampagnen 2060 MARGA M – Dedizierte kontinuierliche Überwachung

In einer Versuchsreihe wurde die Korrelation der Analysenergebnisse, die mit MARS und 2060 MARGA ermittelt wurden, bestimmt. Da die Aerosolergebnisse des 2060 MARGA bekannt sind [5], würde eine gute Korrelation darauf hindeuten, dass MARS auch Aerosole mit ähnlicher Genauigkeit misst.

Die nachstehenden Diagramme zeigt die Konzentration der Aerosole in 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 5). 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 Trend für beide Systeme, aber da das MARS-System doppelt so viele Daten erzeugt, sind seine Aerosolkonzentrationsdaten höher als die des 2060 MARGA. Werden die Daten mit Hilfe eines gleitenden Durchschnitts auf 60 Minuten korrigiert, sind die von MARS und 2060 MARGA angegebenen Konzentrationen ähnlich.

Abbildung 5. Vergleichstest mit Ergebnissen für verschiedene Luftqualitätsparameter, gemessen mit dem 2060 MARGA (oben) und MARS (unten).

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 Atemwegserkrankungen, 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 Analysensystemen wie dem 2060 MARGA oder MARS von Metrohm Process Analytics zu messen, um die Auswirkungen der verschiedenen Schadstoffe zu verstehen und wirksame Strategien zur Verringerung der Belastung zu entwickeln. Auf diese Weise können wir auf die Schaffung einer gesünderen und nachhaltigeren Umwelt für alle hinarbeiten.

Referenzen

[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2025-02-06).

[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (‎PM_2.5 and PM₁₀)‎, Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide; World Health Organization: Geneva, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228

[3] US EPA. Particulate Matter (PM) Basics. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (accessed 2025-02-06).

[4] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. A Sampler for Collecting Fine Particles into Liquid Suspensions. Aerosol Air Qual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616

[5] Läubli, M. Air Monitoring by Ion Chromatography – a Literature Reference Review, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html