MARGA – Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air Kontinuierliche Messungen von Aerosolen und Gasen 02 Luftqualität – entscheidend für unsere Gesundheit und Umwelt Mehrere Jahrzehnte ist die Emission von Aerosolen und Die chemische Zusammensetzung und Grössenverteilung deren Vorläufergasen aufgrund der wachsenden Bevölder Aerosole ist höchst variabel und hängt von unterkerung, Industrialisierung und menschlichen Aktivitäten schiedlichen Faktoren ab wie Standort, Zeit, meteorologikontinuierlich gestiegen. Seit einiger Zeit ist bekannt, dass sche Bedingungen, Eintrag spezifischer Quellen und Hö erhöhte Konzentrationen bestimmter atmosphärischer henlage. Langzeitstudien zu Veränderungen der Kon zen­ Aerosolspezies einen negativen Effekt auf die Lebens er tration und Zusammensetzung der Hauptbe standteile wartung und Erkrankungsrate beim Menschen ha ben. von Aerosolen tragen zum Verständnis der Dynamik von Neben den Bedenken in Bezug auf die menschliche Ge ­ Luftverschmutzung bei und zeigen Wege auf, wie die sundheit können Aerosole auch atmosphärische Pro zesse Luft qualität zum Wohle unserer Gesundheit und Umwelt beeinflussen und sich auf die Luftqualität, Fern sicht, Wolverbessert werden kann. ken formation und Regenmenge auswirken. Aerosole können sowohl einen direkten Einfluss auf das Klima nehmen, indem sie Licht absorbieren und brechen und dabei das Reflexionsvermögen der Erde verändern, als auch ei nen indirekten Einfluss nehmen, indem sie die Wol kenbildung beeinflussen bzw. die Ei gen schaften von Wol ken verändern. Luftüberwachung durch gleichzeitige Quantifizierung von Aerosolen und Gasen mittels MARGA Um zu verstehen, welche Auswirkungen Aerosole auf dem niederländischen Forschungszentrum ECN (Energy 03 Ge sundheit und Umwelt haben, ist das Wissen um deren Research Centre of the Netherlands) entwickelt. Das Ge ­ Entstehungsprozess und die Veränderung von Konzenrät bietet eine neue Vorgehensweise, bei welcher die aus tration und Zusammensetzung im Tages­ und Jahreszyklus derselben Luftmasse entnommenen Gas­ und Aero sol wichtig. Kontinuierliche Messungen von Aerosolen und pro ben selektiv in Wasser gelöst und voneinander ge deren Vorläufergasen mit ausreichend hoher Zeitauf lö trennt werden. Die resultierenden Lösungen werden dann sung sind notwendig, um die verschiedenen Abläufe zu mittels Ionenchromatographie und anschliessender Leit verdeutlichen. fähigkeitsdetektion analysiert. Durch die Trennung der beiden Anteile voneinander ist es möglich, die massgeb­ MARGA (Monitor for AeRosols and Gases in ambient lichen Vorläufergase und Ionenspezies in Aerosolen zu Air) wurde von Metrohm Applikon in Kooperation mit be stimmen. Gase HCl, HNO , HNO , SO , NH 3 2 2 3 Aerosole Cl–, NO –, SO 2–, NH +, Na+, K+, Ca2+, Mg2+ 3 4 4 Oberes Fach: Sample Box – hier werden die vorliegenden Gase und Aerosole in Lösung gebracht, voneinander getrennt und gesammelt. Vorratsbehälter mit Eluenten für die Chromatographen. Mittleres Fach: Spritzenpumpen zum Sammeln der Probenlösungen, Metrohm­Ionenchromatographen zur Kationen­ und Anionenbestimmung sowie Schnittstelle zum Anwender. Unteres Fach: USV, zusätzliche Flüssigkeitsbehälter und Luftstromregler (FCB, flow control box). MARGA – das Konzept 04 Über einen teilchengrössenselektiven Abscheider für Fein­ Die Flüssigproben, die den Diffusionsabscheider und den staub partikel typischerweise bei PM oder PM (Partikel­ Dampfstrahl­Aerosolsammler verlassen, werden darauf10 2,5 grös sen unter 10 µm bzw. 2.5 µm) wird die zu analysiehin über einen Zeitraum von einer Stunde durch die Spritrende Luft in die Sample Box eingeleitet. zenpumpen kontinuierlich gesammelt. Nach Entgasung und Zugabe eines internen Standards (Lithium bro mid) Der Luftstrom wird mittels einer volumenstromgeregelwerden die Proben mittels zweier Ionenchromato gra phen ten Luftpumpe konstant bei 1 m3/h gehalten. In der auf ihren Anionen­ bzw. Kationengehalt analysiert. Sample Box werden die wasserlöslichen Gase in einem rotierenden Diffusionsabscheider (Wet Rotating Denuder, Im unteren Fach befinden sich verschiedene Flüssig keits­ WRD) von einer verdünnten Wasserstoffperoxidlösung behälter, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und (10 mg/L) quantitativ absorbiert. Die Aerosole durchströein Durchflussregler. Das gesamte Gerät wird über eine men den Diffusionsabscheider und werden anschliessend einzige Software, die auf einem integrierten Industrie­PC in einem Dampfstrahl­Aerosolsammler (Steam­Jet Aerosol läuft, gesteuert. Collector, SJAC) gesammelt. Hauptmerkmale • Gleichzeitige Messung von Gasen und Aerosolen • Exzellente zeitliche Auflösung – stündliche Resultate für dieselbe Luftmasse • Hohe Empfindlichkeit für die Schlüsselparameter • Unbeaufsichtigter Online­Betrieb • Eine Software für Gerätesteuerung und Datenverarbeitung • Kontinuierliche Kalibrierung mit internem Standard • Validierung aller Resultate mittels automatischer Kontrollen • Stets verfügbare ausführliche Systemdiagnose • Leicht zugängliche Aufzeichnungen sämtlicher Resultate und Betriebsvorgänge • Fernsteuerung und Abfrage der Resultate möglich • Automatischer Neustart bei temporärem Stromausfall 05 Schematische Darstellung des Luft­ und Flüssigkeitsstroms im MARGA­System MARGA ist erhältlich mit ein oder zwei Sample Boxen, wobei die letztere Option eine Unterscheidung zwischen den verschiedenen Partikelgrössen in derselben Luftmasse (zum Beispiel Vergleich zwischen PM und PM ) oder eine Gradienten2.5 10 untersuchung mit Lufteinlässen in verschiedenen Höhen am gleichen Standort ermöglicht. Gas- und Aerosolprobennahmen aus derselben Luftmasse 06 Im Stundentakt bestimmt MARGA die Anionen und Kationen jeweils getrennt in einer Aerosol­ und Gasprobe, die derselben Luftmasse entnommen wird. Rotierender Diffusionsabscheider Dampfstrahl-Aerosolsammler (Wet Rotating Denuder, WRD) (Steam-Jet Aerosol Collector, SJAC) Der Diffusionsabscheider besteht aus zwei konzentrischen Die Umgebungsluft aus dem Diffusionsabscheider, die Glasröhren, die einen Ringspalt bilden, in den fort laufend jetzt frei von wasserlöslichen Gasanteilen ist, wird nun in verdünnte H O ­Lösung eingespeist wird. Diese Röhren den Dampfstrahl­Aerosolsammler überführt. Hier wird 2 2 rotieren mit einer Drehzahl von 30 u/min, wobei ein kon­ über sättigter Wasserdampf zugeführt, wodurch die Aerotinuierlicher Flüssigkeitsfilm auf der Innenseite des äussesole zu grösseren, schwereren Tropfen heranwachsen ren Zylinders und der Aussenseite des inneren Zy lin ders (auch als Deliqueszenz bezeichnet). Im weiteren Verlauf ausgebildet wird. Umgebungsluft wird eingesogen, wo wird dann die Luft durch ein Spiral glasrohr geleitet, das bei nahezu 100 % der sauren Gase und des Ammo ni aks wie ein Impaktor wirkt, und die Par tikel infolge Träg heitsaus der Luftmasse aufgrund der hohen Diffusions ko ef fi abscheidung trennt. Die resultierende Lösung mit verzienten entfernt werden. Die erhaltene Lösung mit den schiedenen Spezies gelöster ioni scher Aerosole sammelt ab sorbierten Gasen wird in der Detector Box kontinuierlich sich am unteren Ende des Dampf strahl­Aerosol sammlers für die Probenaufgabe vorbereitet. Aerosole und Par ti kel und wird dann in der De tector Box für die Probenaufgabe werden aufgrund der durch die Konstruktion be ding ten, vorbereitet. laminaren Strömungsverhältnisse sowie aufgrund der Luftbewegung innerhalb des Rings zum SJAC durchgeleitet. Aufgrund der hohen Diffusionsraten lösen sich die Gase Dampfgenerator in dem Flüssigkeitsfilm. Absorptions­ lösung Luftzufuhr vom Denuder Übersättigter Dampf Zur Luftpumpe Aerosole passieren den WRD. Flüssigkeits­Levelsensor Zusätzliche Arbeitsprinzip des WRD und SJAC Probe zur Spritze Absorptionslösung Automatisierte Analyse 07 Detector Box Die Detector Box ist mit zwei Paar Spritzenpumpen aus­ In der Mitte der Detector Box befinden sich zwei mit Leitgestattet, die im Wechselbetrieb arbeiten. Stündlich samfähigkeitsdetektoren ausgestatteten Metrohm­Ionen chromelt eines der beiden Spritzenpumpenpaare 25 mL Ab matographen. Die Proben in den gefüllten Proben schleisor ptions lösung aus jeweils dem WRD (Gasprobe) und fen werden in die Kationen­ und Anionentrennsäulen in jidem SJAC (Aerosolprobe). Jede Spritze enthält somit ei ne ziert. Ein Säulenofen unterstützt die Trennleistung. Durch über einen Zeitraum von einer Stunde gemittelte Gas­ das Hinzufügen eines internen Standards zu den WRD­ bzw. Aerosolprobe. Gleichzeitig werden 2.5 mL des interund SJAC­Proben wird die Validierung der anionischen nen Standards LiBr angesaugt, der vor der Injektion in die und kationischen IC­Daten ermöglicht. Indem ein Ver ­ Ionenchromatographen mit den Proben vermischt wird. gleich der relativen Retentionszeiten von Br– und SO 2– 4 Nach Ablauf einer Stunde kehrt sich die Arbeitsrichtung und eine entsprechende Anpassung der Säulen tem pe rader Spritzenpumpen um und die Proben werden in die tur durchgeführt wird, können die Retentions zeiten auch Probenschleifen der Ionenchromatographen geleitet, über längere Zeit stabil gehalten werden. Der Ana lysenach dem sie zuvor entgast und mit dem internen Stanzyklus ist zeitlich streng geregelt, damit die Ana lyse der dard vermischt wurden. Parallel dazu füllt sich das zweite Anionen und Kationen sowohl in der Aero sol­ als auch Spritzenpumpenpaar mit der Probe, die in der darauffolin der Gasprobe bzw. im Falle eines Aufbaus mit zwei genden Stunde genommen wird. Sample­Boxen die Analyse von zwei Aero sol­ und Gasproben stündlich erfolgen kann. Werden niedrigere Nach weis grenzen benötigt, kann eine Anreicherungssäule vor die Ionenchromatographen geschaltet werden. Kationen­ und Anionentrennsäulen mit Säulenofen und Leitfähig­ Spritzenblock zum Sammeln der Gas­ und Aerosolproben. keitsdetektoren. Software für umfassende Kontrolle Die MARGA­Software startet automatisch beim Ein schal08 dargestellt, zwischen denen auf dem Benutzerbildschirm ten des Gerätes. Die komplette Steuerung des Systems (siehe unten) hin und her geschaltet werden kann. Der er folgt über die Software auf dem Industrie­PC, der die Be nutzerbildschirm gewährt auf einen Blick eine kom­ Schnittstelle zum Benutzer darstellt. Im Resultatfenster plette Übersicht des Gerätebetriebs. Die Diagramme könwerden alle Resultate für die Gas­ und die Aerosolfracht nen zur Interpretation vergrössert werden. für einen Zeitraum von bis zu einem Monat als Diagramme Darstellung der Resultate Darstellung der Rohdaten Das Resultatfenster gibt einen Überblick über die ge ­ Im Rohdatenfenster wird eine Übersicht aller wichtigen mes senen Gase, Aerosole und internen Standards. Rohdatenparameter gezeigt. Darstellung der Luft- und Flüssigkeitskonzentrationen Darstellung der Anionen- und Kationen-Chromatogramme In diesem Fenster werden die Konzentrationen in der Luft und In diesem Fenster werden die Anionen­ und Kationenchroma toden Flüssigkeiten für bis zu vier Wochen angezeigt. Für jede gramme dargestellt. Es wird entweder eine Live­Ansicht angezeigt Analyse wird eine neue Zeile in der Tabelle angelegt. Farbige oder der Benutzer kann durch frühere Resultate blättern. Die Reten­ Markierungen geben die Gültigkeit jedes Resultates an. tionszeiten der integrierten Peaks werden ebenfalls dargestellt. Über die Taskleiste am unteren Ende des Bildschirms kann Die Daten sowie die Statusindikatoren und die Log auf eine Reihe von verschiedenen Funktionen, Para meein träge können bequem im XML­Format exportiert wertern und Kontrollelementen zugegriffen werden, wobei den. ganz unten der aktuelle Status des Gerätes angezeigt wird. Überwachung der Konzentrationsganglinien von Aerosolen und Gasen Sobald die Konzentrationsdaten für die Gase und Aero­ Mithilfe von Rückwärtstrajektorien können anhand der 09 sole von MARGA exportiert sind, können diese graphisch Windrichtung wertvolle Rückschlüsse hinsichtlich mög­ dargestellt und interpretiert werden, um die Trends so licher Quellen für hohe Luftverschmutzungen vorgenomwohl von Tages­ als auch Jahreszyklen zu bestimmen. men werden. Zeitlicher Verlauf der Konzentration einiger Gase in der Umgebungsluft in Schiedam (Niederlande) vom April 2012, bestimmt mit MARGA Zeitlicher Verlauf der ionischen Aerosolbestandteile in der Umgebungsluft in Schiedam (Niederlande) vom April 2012, bestimmt mit MARGA 10 MARGA­System in Auchencorth Moss, Schottland, NERC Centre for Ecology and Hydrology (Zentrum für Ökologie und Hydrologie). Alle Rechte vorbehalten. Ian Leith. 2011. Hier finden Sie ein Video eines MARGA­Systems, das am Institut für Tropische und Marine Meteorologie in Guangzhou in China betrieben wird: http://metrohm.com/com/Company/testimonials/index.html?q=9 MARGA­System des Umweltbundesamts (UBA) in MARGA­Systeme betrieben vom US­Umweltamt (USEPA) MARGA­System im Labor des National Institute Betrieb am Forschungsstandort Melpitz des Leibniz­ am Agrarforschungszentrum Beltsville des of Environmental Research (Nationales Institut für Instituts für Troposphärenforschung e.V. (TROPOS) United States Department of Agriculture (USDA) Umweltforschung) in Seoul Typische Nachweisgrenzen von MARGA Spezifikationen 11 Komponente Nachweisgrenze Nachweisgrenze Dimensionen (einschliesslich Rack) feste Schleife Anreicherung Breite 120 cm (µg/m3) (µg/m3) Höhe 180 cm Gas Tiefe 60 cm Gewicht 200 kg HCl 0.01 0.001 HNO 3 0.05 0.005 Umgebungsbedingungen HNO 2 0.02 0.002 Betriebsraumtemperatur 25 ± 5 °C SO 2 0.03 0.003 Aussentemperatur ­30 to 45 °C NH 3 0.05 0.005 Betriebsraumfeuchtigkeit < 60 % Aerosol Aussenluftfeuchtigkeit 0–100 % Höhenlage Up to 2'000 m Cl – 0.01 0.001 NO 3 – 0.05 0.005 Netzanschluss über USV SO 4 2– 0.04 0.004 Erforderliche Spannung 115–120 V/220–230 V NH 4 + 0.05 0.005 Erforderliche Frequenz 50/60 Hz Na + 0.05 0.005 Leistungsaufnahme 700 VA K + 0.09 0.009 Die genannten Dimensionen und der Leistungsbedarf gelten für Mg 2+ 0.06 0.006 MARGA 1S. Ca 2+ 0.09 0.009 Nachweisgrenzen ermittelt am aktiven MARGA­System in Schiedam (Niederlande) ETV-Verifizierung Das Umwelttechnologie­Verifizierungsprogramm (ETV) der US­Umweltbehörde EPA stellt dem Umweltmarkt objektive Daten Dritter zur Leistung neuer Umwelt techno logien zur Verfügung. MARGA­System im Labor des National Institute of Environmental Research (Nationales Institut für Umweltforschung) in Seoul Das MARGA­System von Metrohm Applikon wurde im Rahmen dieses Programms verifiziert. Den vollständigen Bericht finden Sie unter www.epa.gov/etv or at www.metrohm-applikon.com/marga.html www.epa.gov/etv Haftungsausschluss: Der Name EPA Environmental Technology Verification Program (ETV) und/oder das Logo weist weder auf die Zulassung oder Zertifizierung dieses Produkts hin, noch stellt er eine ausdrückliche oder stillschweigende Zusicherung oder Gewährleistung der Produktleistung dar. Informationen zu den Leistungsmerkmalen von Metrohm Applikon ADI 2080 MARGA erhalten Sie unter www.epa.gov/etv, oder bestellen Sie eine Kopie des Verifizierungsberichts telefonisch bei Metrohm Applikon unter +31 10 29 83 555. www.metrohm-applikon.com Schweiz Herisau, ­9100 CH G, A ohm Metr Druck , SWA ­06 vorbehalten Ecknauer+Schoch Änderungen Gestaltung 8.000.5092DE – 2013