On-line Verbrennungsanalytik

Die on-line Verbrennungsanalytik bezieht sich auf mobile Flugzeitmassenspektrometer (time-of-flight mass spectrometer, TOFMS), die mit einen Nd:YAG Laser zur Photoionisierung ausgestattet sind. Die kompletten TOFMS sind dabei in einen Gestell auf Rollen eingebaut, so dass diese in Feldversuchen betrieben werden können und lediglich auf eine externe Stromversorgung angewiesen sind. Die Nd:YAG Laser emittieren Strahlung von 1064 nm, die mit Hilfe von nicht-linearen Optiken bis in den UV- und VUV-Bereich verringert werden kann und damit ausreichend Energie für die Ionisierung der meistens organischen, aber auch teilweise anorganischen Verbindungen in Verbrennungsprozessen bereitstellt. Die resonanzverstärkte Mehrphotonenionisierung (resonance-enhanced multi-photon ionisation, REMPI) mit UV-Photonen der Wellenlänge 266 nm ermöglicht die selektive Ionisierung von aromatischen und polyaromatischen Verbindungen aus komplexen Gemischen. Solche Verbindungen, die auch die Klasse der häufig kanzerogenen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) beinhaltet, absorbieren Licht der Wellenlänge 266 nm und gelangen in einen elektronisch angeregten Zustand. Besitzt dieser Zustand eine ausreichende Lebensdauer, kann ein zweites Photon die Energiebarriere zum Ionisationskontinuum überschreiten. Im Gegensatz dazu stellt die Ein-Photon-Ionisierung (single photon ionisation, SPI) bei 118 nm eine universelle Ionisierungsmethode dar, die grundsätzlich jedes Molekül mit einer Ionisierungsenergie, welche geringer ausfällt als die Photonenergie, ionisieren kann. Sowohl bei REMPI als auch bei SPI wird nur geringfügig Überschussenergie auf das Molekül übertragen, so dass vornehmlich Molekülionen generiert werden, was die Interpretation der Zusammensetzung komplexer molekularer Gemische vereinfacht.

Mit Hilfe dieser Technik wird die Zusammensetzung volatiler Emissionen aus Verbrennungsprozessen untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Holzöfen und Dieselmotoren, welche beide in den letzten 10 Jahren verstärkt in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt sind. Holz als Brennstoff ist in Deutschland im Zuge der Energiewende ein wesentlicher Bestandteil der erneuerbaren Energien, aber auch global weit weitbreiter Energieträger. Des Weiteren sind neben PKW-und LKW-Dieselmotoren vor allem Schiffsmotoren Gegenstand der aktuellen Forschung am Lehrstuhl für Analytische Chemie, die in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren (LKV) der Universität Rostock durchgeführt wird. Insbesondere werden die Auswirkungen durch Kraftstoffänderungen von Schweröl zu Diesel oder Flüssiggas sowie die Variation von Motorkonditionen wie Motorlast, Ladedruck oder Kurbelwinkel auf die Emissionen untersucht.

Die hohe Zeitauflösung der SPI/REMPI-TOFMS von 1 s (bis maximal 50 ms) ermöglicht Untersuchungen von dynamischen realen Verbrennungsprozessen und eine Detektion der Emissionen in Echtzeit. Solche zeitlich variablen Emissionen treten z.B. auf wenn die Motorlast geändert oder chargenweise Scheitholz verbrannt wird. Dadurch können temporäre Maxima und Emissionsveränderungen identifiziert und somit Maßnahmen zur Emissionsminderung abgeleitet werden, um die Bildung von sekundären Partikeln aus volatilen Verbindungen durch Oxidation in der Atmosphäre zu verringern. Schließlich werden die erhalten Messergebnisse mit Daten zu toxikologisch relevanten Effekten korreliert, wodurch die Wirksamkeit von Emissionsregulierungen zur Verbesserung der Luftqualität bewertet werden kann.

Energetisches Schema von SPI und REMPI
Literatur

Literatur

Czech, H., Sippula, O., Kortelainen, M., Tissari, J., Radischat, C., Passig, J., Streibel, T., Jokiniemi, J., Zimmermann, R., 2016. On-line analysis of organic emissions from residential wood combustion with single-photon ionisation time-of-flight mass spectrometry (SPI-TOFMS). Fuel 177, 334-342.

Radischat, C., Sippula, O., Stengel, B., Klingbeil, S., Sklorz, M., Rabe, R., Streibel, T., Harndorf, H., Zimmermann, R., 2015. Real-time analysis of organic compounds in ship engine aerosol emissions using resonance-enhanced multiphoton ionisation and proton transfer mass spectrometry Aerosols and Health. Analytical and Bioanalytical Chemistry 407, 5939-5951.