Abweichungen zwischen optischen und gravimetrischen PM10-Messungen - eine Fallstudie
Bei der Messung von PM10 mit optischen und gravimetrischen Methoden können in bestimmten Fällen unterschiedliche Konzentrationen beobachtet werden.
Im Zeitraum vom 24. bis 31. Januar 2017 wurde an der städtischen Station Necker des Beobachtungsnetzes für Luftschadstoffe im Kanton Genf (ROPAG; Schweiz) eine Reihe von Diskrepanzen zwischen den Konzentrationen des PM10-Messgeräts vom optischen Typ (Äquivalenzmethode) und denen des Messgeräts vom gravimetrischen Typ (Referenzmethode) beobachtet.
Der Service de l'air, du bruit et des rayonnements non ionisants (SABRA) des Kantons Genf hat Particle Vision damit beauftragt die PM10 Filter zu untersuchen, um Hinweise für die Ursache dieser Abweichungen zu finden.
Grund für die Unterschiede zwischen optischen und gravimetrischen PM10 Daten
Die PM10-Filter wurden zunächst mit Ionenchromatographie untersucht. Die Resultate zeigen erhöhte Nitratkonzentrationen die mit der markanten Differenz zwischen optischen und gravimetrischen Messungen von PM10 (siehe Abbildung 1) korrelieren. Diese Korrelation deutet darauf hin, dass die Nitratkonzentrationen entweder durch die optische Messmethode unterschätzt oder durch die gravimetrische Messmethode überschätzt wurden.
Rechts: REM-Bilder, die mit dem Detektor für rückgestreute Elektronen reproduziert wurden: - 27.01.2017: Glasfaserfilter, der große Partikel zeigt, die im Filter und um die Faser eingebettet sind. Dieser Filter wurde während des Zeitraums mit großen Unterschieden zwischen den beiden PM10-Messungen beprobt. - 30.01.2017: Glasfaserfilter, der nach dem Zeitraum beprobt wurde, der einen Unterschied zwischen optischen und gravimetrischen PM10-Messungen zeigt. Dieser Filter weist eine normale Partikelgrößenverteilung und keine umhüllten Fasern auf.
Die PM10-Filter wurden dann mit einem Rasterelektronenmikroskop gekoppelt mit einem Detektor für energiedispersive Röntgenspektroskopie (SEM-EDS), auf Auffälligkeiten hin untersucht. Es stellte sich heraus, dass diese PM10-Filter wider Erwarten zahlreiche Partikel enthielten, die deutlich größer als 10 Mikrometer waren und teilweise die Filterfasern beschichteten/umhüllten. Die Partikel sind in der Tat derart gross, dass sie den für die aktive Probenahme verwendeten PM10-Impaktor nicht passieren können. Außerdem ist es sehr auffällig, dass sie unter einigen der oberen Filterfasern als ausgedehnte Masse oder Schicht abgelagert sind (siehe gelb gestrichelte Linie und Maßstab in Abb. 1). Dies deutet darauf hin, dass sie sich während der Probenahme in-situ in den Filtern gebildet haben müssen.
Rechts: Die EDX-Analyse zeigt, dass diese Partikel Natrium (Na), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) enthalten.
Um diese großen Partikel besser charakterisieren zu können, wurde zusätzlich ihre chemische Zusammensetzung mit dem EDS-Detektor bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die meisten Partikel aus Natrium (Na), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) bestanden (siehe Abb. 2). Es gab allerdings auch einige wenige Partikel, die aus Magnesium (Mg), Schwefel (S) und Sauerstoff (O) bestanden (Abb. 3). Über das Massenverhältnis der Elemente wurde die Stöchiometrie von Na1.3N1O3.2 berechnet, die sich durch eine von Natriumnitrat (NaNO3) dominierte Zusammensetzung erklären lässt. Darüber hinaus lässt sich das Vorhandensein von Partikeln, die Magnesium (Mg), Schwefel (S) und Sauerstoff (O) enthalten, durch eine von Magnesiumsulfat (MgSO4) dominierte Zusammensetzung erklären.
Fazit
Die Beobachtungen mit dem SEM-EDS-System zeigen, dass die Ursache für die höheren Konzentrationen bei den gravimetrischen Messungen (Digitel) im Vergleich zu den Konzentrationen bei den optischen Messungen (Grimm) auf Sekundärpartikel zurückzuführen ist, die sich in-situ auf/in den Filtern gebildet haben. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Sekundärpartikel bestehend aus NaNO3 und einen schwächeren Anteil an MgSO4 Partikel, die sich während der aktiven Probenahme der gravimetrischen Proben auf/in den Glasfaserfiltern gebildet haben müssen.
Das bedeutet, dass die großen Partikel (>>PM10), die in den Glasfaserfiltern gefunden wurden, ein Artefakt bei der Probenahme darstellen, welches zu einer Überschätzung von NaNO3 und MgSO4 geführt hat (für weitere Details zur Bildung dieser Partikel siehe Kapitel 5 des vollständigen Berichts, Link).
Daher wurde die Diskrepanz zwischen den gravimetrischen und den optischen Messungen nicht durch eine unvollständige Erkennung einiger Partikel durch das optische Gerät verursacht, sondern durch die Bildung von Sekundärpartikeln während der Probenahme auf den Glasfaserfiltern, die zur Durchführung der gravimetrischen PM10 Messungen (Referenzmethode) verwendet wurden.
Der vollständige Bericht (französische Version) ist unter folgendem Link verfügbar: https://cerclair.ch/assets/pdf/Rapport-caract%C3%A9risation-PM10_filtres-en-fibres-de-verre_Necker_2017-2018.pdf
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SABRA - Kanton Genf: https://air.ge.ch/
