GRIMM AEROSOL Particle Measurement Systems 565

Kontinuierliche Messung von Partikelgrößenverteilungen
      (wide range)
 The GRIMM     Wideam Hohenpeißenberg
                       Range System (#
                    565)
                Markus Pesch
Technical Features and Applications

              GRIMM AEROSOL
                Particle Measurement Systems

Grimm Aerosol Technik GmbH & Co. KG      www.grimm-aerosol.com
                            Dorfstr. 9   Info@grimm-aerosol.com
                      D-83404 Ainring    Tel.: +49 (0)8654 – 578 – 0
                            Germany      Fax.: +49 (0)8654 – 578 – 35

                                                                        1

Überblick
  Motivation
  GRIMM Aerosol Technik GmbH
  Partikelmesstechniken
  Wide Range Messsystem
  Installation am Hohenpeissenberg
  Messergebnisse
  Low cost wide range (NanoCheck)

                                      2

Motivation

             3

Aerosole
Was sind Aerosole ?
Aerosole sind feste oder flüssige Partikel die aufgrund ihrer kleinen
Größe (1 nm bis 100 µm) in der Luft schweben und in der Atmosphäre
über weite Strecken (bis über 1000 km) transportiert werden können.

      Primäre Aerosole
       Werden direkt in die Luft freigesetzt
       (z.B. Rußpartikel aus KFZ-Abgasen)

      Sekundäre Aerosole
       entstehen aus gasförmigen Vorläufersubstanzen durch Gas - zu
       Partikel-Umwandlung

                                                                      4

Aerosole

Das atmosphärische Aerosol umfasst einen sehr weiten Größen-
bereich von 5 Dekaden.

                      1 nm ≤ dp ≤ 100 µm

Die Aerosole können in Abhängigkeit ihrer Größe klassiert werden:

TSP: total suspended particles, Massenfraktion von Partikeln mit einem
aerodynamischen Durchmesser ≤ ca.100 µm.
PM10: particulate matter, Massenfraktion von Partikeln, mit einem
aerodynamischen Durchmesser ≤ 10 µm.

Nanopartikel: Partikel < 100 nm (klassifiziert, meist nach ihrem
elektrischen Mobilitätsdurchmesser)
                                                                         5

Pollen,

        Aerosolquellen                                                                          gasförmige Vorläufer

                         Etna, Sicilia, 2002
Natürliche Quellen
Vulkane                                                  Verbrennung von Biomasse

Bodenerosionen
                                                       Seesalz
Seesalz
Verbrennung von Biomasse
Pollen, Sporen
                                                                                          Sandsturm,
gasförmige Vorläufersubstanzen (VOC)                                                      Bodenerosionen
                                                                                             Heizung

                                               Bautätigkeit
Anthropogene Quellen
KFZ-Verkehr
Kraftwerke und Heizung
Industrie
Landwirtschaft
Haushalte

                                          Landwirtschaft                              Autoabgase

                                                                 Biomass burning, Italy                    6

Gefahren durch Partikel werden verursacht durch:
Partikelgröße, -Oberfläche

Partikelkonzentration

Chemische Zusammensetzung der Partikel

                                             Y

                                                 Y

adsorbierte Substanzen (z.B. PAH)
                                                     7

Staubpartikel in der Atmosphäre

   Quelle: TU-Darmstadt, FG Umweltmineralogie

                                                8

Grimm Aerosol Technik

                        9

Optische Partikelzähler von GRIMM

                                    11

Grimm Aerosol Technik

Das Unternehmen Grimm Aerosol Technik GmbH
wurde von Herrn Hans Grimm vor etwa 25 Jahren gegründet
und

entwickelt,
produziert und
verkauft weltweit

Technik zur Bestimmung und Erzeugung von Aerosolen.

Das Unternehmen hat seinen Hauptstandort in Ainring und
einen weiteren Standort in Pouch (bei Leipzig).
                                                          10

Feinstaubmessgerät EDM180

             Aerosol Spektrometer
            Messungen von Partikelgrößen
                   in 31 Kanälen
            Gleichzeitige Bestimmung vom
               PM10, PM2,5 und PM1

                                     12

Messprinzip des optischen Partikelzählers

                                        13

Messprinzip des optischen Partikelzählers

                                        14

Messprinzip eines Nephelometers

                                  15

Messprinzip GRIMM-Spektrometer

Im Gegensatz zum Nephelometer befindet sich immer nur ein Partikel im optischen
Volumen. Jeder Partikel wird nur einmal detektiert (Fokussierung durch Spülluft).

Aus der Zahl der Streusignale/Zeit und dem Volumenstrom wird die Partikelanzahl
ermittelt.

Aus der Höhe der Signale wird die Partikelgröße bestimmt.

Die Partikel werden in 31 Größen klassiert. Aus dem mittleren Durchmesser der
Größenklasse und der Anzahl der Partikel wird das Partikelvolumen berechnet.

Jeder der 31 Größenklassen wird eine bestimmte Dichte zugeordnet und diese mit dem
Partikelvolumen multipliziert. Das ergibt die Partikelmasse.

Die Partikeldichten der 31 Größenklassen wurden durch zahlreiche Vergleiche mit
Referenzsystemen (Gravimetrie) für PM10 und PM2,5 bestimmt.

                                                                                     16

GRIMM-Systeme für Nanopartikel

Generatoren

              SMPS-Technologie

                                 Partikelsammlung

                                               17

Messprinzip für Nano Partikel
                    Neutralizer            Aerosol Sample   e-
  Laminator
                                Impactor
                     AM241
Sheath Air

                                 Outer Cylinder
                                  Central Rod

                            High-Voltage
              +
                     Slot
                                  CPC

              Monodisperse Aerosol

                                                                 18

Wide range Messsystem

                        19

Intention des wide range Systems

 Kombination von optischem Partikelzähler (OPC) mit
  SMPS-Technik (Mobilitätsdurchmesser) für breites
  Partikelgrößenspektrum (wide-range)
 Bestimmung der bedeutsamen Aerosole in der
  Atmosphäre (Gesundheit, Klima, Ursachenanalyse)
 Robustes, benutzer- und servicefreundliches Gerät
  für den stand-alone Betrieb
 Kontinuierliche Messungen mit hoher Daten-
  verfügbarkeit und hoher zeitlicher Auflösung (min)

                                                       20

Wide-range-Messtechnik

Die wide range –Messtechnik kombiniert zwei unterschiedliche
Messprinzipien

   a) OPC (Größenbereich 250 nm – 32 µm, 31 Klassen)

   b) SMPS+C (5.5 nm – 350 nm, 44 Klassen)

Mit dieser Kombination lassen sich zeitgleich sehr feine
Verbrennungsaerosole (UFP, < 100 nm) und relativ große Partikel (µm-
Bereich) messen.
Beim KFZ-Verkehr können z.B. Rußpartikel und Reifenpartikel in Größe
und Anzahl gleichzeitig bestimmt werden.

                                                                   21

Wide Range Partikelmessystem

                               22

Technische Eigenschaften

 Robustes Edelstahlgehäuse mit
  Klimaanlage
 19‘‘ OPC und 19‘‘ SMPS+CPC
 Nafion-Membrantrocknung der Probe

                                       23

Wide-range-Größenverteilung

SMPS
   SMPS+C                      Überlappung

                                             OPC

             Partikeldurchmesser [nm]

                                                   24

Wide-range-Partikelgrößenverteilung

                                      25

Messungen am
Hohenpeißenberg

                  26

Setup am Hohenpeißenberg
     22. Januar 2009
                                                     b)                                   OPC

a)

                                                                                   c)

                                                                                        SMPS+C

                                                                      e)
                                                        2D Graph 3

                                   105
                                   104
                                   103
                 dN/dlnD [1/cm ]

                                                                                   d)
                 3

                                   102
                                   101
                                   100
                                   10-1       Opt. Spectrometer
                                   10-2       SMPS+C

                                   10-3
                                          1   10           100      1000   10000
                                                   Particle Size [nm]

                                                                                           27

Messung am Hohenpeißenberg

a)

                  Aerosol Größenverteilung

                                     c)

b)

                                             28

Messergebnisse
Zeitliche Veränderung der Partikelgrößen und Anzahl

                                                 29

Größenverteilungen an verschiedenen Tagen

a)                        b)

c)                        d)

                                                 30

Hohe Partikelanzahl am 04.02.2009

                                    31

Vergleich wide range mit Gesamtpartikelzahl

 c

     Integral von 71 Kanälen - dN/dlog(dp)
     CPC als reiner Zähler (> 3 nm)

                                             32

Wide range (Gesamtzahl) mit CO

                                 33

Wide range (Gesamtzahl) mit SO2

                                  34

Zusammenfassung (wide range)

 Das GRIMM wide range System ist eine Kombination von zwei
  bewährten Messtechniken (OPC und SMPS).
 Mit dieser Kombination werden Messungen von Partikelgrößen-
  verteilungen von 5 nm bis 32 µm in 71 Kanälen möglich).
 Das System ist in einem kompakten und               robusten
  Edelstahlgehäuse mit Klimaanlage untergebracht.
 Es erlaubt kontinuierliche Messungen mit hoher zeitlicher
  Auflösung (min) bei geringem Wartungsaufwand.
 Die wide range Daten werden kombiniert mit gasförmigen
  Messungen und meteorologischen Daten um Transport-
  Mischungs- und Bildungsprozesse der Aerosole zu untersuchen.

                                                                 35

Low cost wide range

                      36

GRIMM-NanoCheck

  NanoCheck               Anwendung

Spektrometer

                                      37

Intention des NanoCheck

Da die Intensität der Streuung mit der 6. Potenz der
Partikelgröße abnimmt, können optische Partikelzähler keine
Partikel unter ca. 100 nm detektieren.

Die SMPS und CPC Technik ist prinzipiell für die Messung von
Nanopartikeln geeignet, ist jedoch relativ kostenintensiv.

Gravimetrische Messverfahren sind für Nanopartikel weniger
geeignet (geringe Masse der Partikel).

                                                          38

GRIMM-NanoCheck

                  39

Einsatz des NanoCheck
Der NanoCheck kann direkt an die optischen Partikelzähler
(Spektrometer) angekoppelt werden und ermöglicht damit
Messungen von Nanopartikeln in Innenräumen und in der
Außenluft.

Der kleine, robuste Aufbau und
die Möglichkeit einer mehrstündigen       Spektrometer
Messung mit Batteriebetrieb erlaubt
eine hohe Mobilität.

          NanoCheck

                                            NanoCheck

                                                            40

Aufbau und Messprinz

      Der NanoCheck hat drei zentrale Bauteile:

 einen unipolaren elektrischen Diffusionsauflader
 eine Elektrode zur Ionen bzw. Partikelabtrennung
 ein Faraday Cup Elektrometer zur Strommessung

    1.4 kg

                           24 cm
                                                     41

Aufbau und Messprinz

     Messprinzip

                       42

Kalibrierung und Validierung mit SMPS

                                        43

Messbeispiele NanoCheck

Außenluftmessungen

                          44

Messbeispiele NanoCheck

Arbeitsplatzmessungen

                          45

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

                                      46