Feldexperiment zum Methodenvergleich von Ammoniak- und Ammonium-Konzentrationsmessungen in der Umgebungsluft, 2005 bis 2008 in Braunschweig
Vom Spurengas Ammoniak gehen unerwünschte Einflüsse auf menschliche Gesundheit und Wohlbefinden (Feinstaub-Bildung), terrestrische und aquatische Ökosysteme (Versauerung und Eutrophierung) und auf Werkstoffe (erhöhte Korrosionsraten) aus. Die Erstellung von Ursache-Wirkung-Beziehungen setzt die Fähigkeit voraus, Ammoniak-Konzentrationen in der Umgebungsluft hinreichend genau zu messen. Standardisierte Messverfahren fehlten jedoch bisher. Zur Erarbeitung von experimentellen Daten für die Erstellung der VDI-Richtlinien VDI 3869 „Messung von Ammoniak in der Außenluft“ wurden von April 2005 bis Dezember 2008 auf dem Messfeld der damaligen Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) Parallelmessungen mit unterschiedlichen Aktiv- und Passivsammlern vorgenommen, die Aufschluss über die Eignung und die Verfahrenskenngrößen geben sollten. Untersucht wurden Denuder-Filter-Sammler (DELTA, Midefix, NUPS, KAPS für Ammoniak und partikelgebundenes Ammonium) sowie radialsymmetrische und zylindrische Passivsammler (Radiello® bzw. IVL für Ammoniak). Die Sammler unterscheiden sich hinsichtlich der Komplexität ihres Aufbaus, ihrer zeitlichen Auflösung, ihrer Nachweisgrenze und ihres Betreuungsbedarfs. Es zeigte sich, dass zylindrische Denuder mit gut handhabbaren Dimensionen und Luftdurchsätzen von etwa 0,5 bis 0,7 m3 d-1 geeignet sind, Ammoniak-Konzentrationen in der Umgebungsluft im Bereich bis zu 50 Gg m-3 mit einer Genauigkeit zu erfassen, die für den Vergleich mit dem Vorsorgewert nach TA Luft und in Bezug auf die Critical levels hinreichend sind. Die Sammler können in der Regel einen Monat exponiert werden. Aber auch kürzere Expositionszeiten von zwei Wochen liefern in Reinluftgebieten im Jahresmittel zutreffende Konzentrationen. Die Verwendung von Ringspalt-Denudern mit höheren zeitlichen Auflösungen erscheint aufwändig für die Erstellung von Langzeitmittelwerten. Ihr Einsatz wird bei der Bestimmung von Tagesmittelwerten erforderlich. Die Messung mit Denudern wird als Referenz angesehen. Die beiden untersuchten Passivsammler-Bauarten lassen sich ebenfalls zur Bestimmung mittlerer Konzentrationen einsetzen. Auch diese sind geeignet den Vorsorgewert nach TA Luft hinreichend zu bestimmen. Bei den critical levels für empfindliche Ökosysteme ist der Radiello®-Sammler gut geeignet, hingegen genügt der IVL-Sammler nur knapp. Die Unsicherheit der mit ihnen erzielten Messwerte ist naturgemäß ein wenig größer als die der Denuder. Bei der Verwendung von zylindrischen Passivsammlern ist es zwingend erforderlich, experimentell einen Korrekturfaktor zu ermitteln, der den Membranwiderstand berücksichtigt. Bei der Verwendung von Radiello®-Sammlern liefert der Hersteller eine Berechnungsformel, die jedoch mit einem Referenzverfahren (z.B. Denuder) überprüft werden sollte.
The trace gas ammonia has adverse effects on human health and well-being (i.e. by formation of atmospheric fine particles), on terrestrial and aquatic ecosystems (acidification and eutrophication) and materials (increased corrosion rates). The assessment of dose response relationships presupposes the feasibility to determine concentrations of ammonia in ambient air. During the drafting of the VDI guidelines VDI 3869 “Measurement of ammonia in ambient air”, experimental data had to be acquired. For this purpose, parallel measurements were performed at the experimental field site of the former Federal Agricultural Research Centre (FAL) from April 2005 to December 2008, using various types of active and passive samplers. The aim was to test the practicability of the respective measurements and to establish the respective performance characteristics. The experiment covered, denuder filter samplers (DELTA, Midefix, NUPS, KAPS for ammonia and particulate ammonium) as well as radial and cylindrical passive samplers (Radiello® and IVL). These samplers differ with respect to the complexity of design, the resolution in time achieved, the limit of detection and the attention required. It could be shown that cylindrical denuders of well manageable dimensions and an air flow rate of about 0.5 to 0.7 m3 d-1 are capable of assessing ammonia concentrations in ambient air up to and 50 Gg m-3. The accuracy of these measurements is adequate to compare concentrations to the precautionary limits of TA Luft (German technical instruction on air quality control) and with critical levels. For this purpose, samplers can be exposed for one month. Even shorter exposing periods, e.g. of two weeks, allow for the assessment of annual means in clean air regions. The use of annular denuders with higher resolutions in time appears to be too labour intensive and hence inadequate for the establishment of long term means. However, they allow the determination of daily means. Measurements with denuders are considered as references. The two passive samplers compared can be used to establish mean concentrations. The uncertainties of these measurements exceed those of denuders slightly. Both samplers are capable to measure concentrations in the range of the precautionary values of TA Luft adequately. For a comparison with the critical levels for sensitive ecosystems, Radiello® -samplers are suitable without restrictions: IVL samplers may be sufficient. The use of cylindrical denuders definitely requires experimental calibration to take the variable resistance of the membrane into account. The manufacturer provides Radiello® samplers with a calculation procedure for concentrations. However, it is necessary to check the applicability in practice by comparison with a reference method (eg denuders).
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