Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Eine weitere Minderung der Emissionen organischer Schadstoffe technischer Verbrennungsanlagen erfordert neue Konzepte zur Proze\u00dfsteuerung und -f\u00fchrung. Zur Realisierung eines optimalen Ausbrandes ist neben neuen verfahrenstechnischen Konzepten von Bedeutung, da\u00df Schadstoffemissionen kontinuierlich erfa\u00dft werden k\u00f6nnen. Die resonanzverst\u00e4rkte Lasermassenspektrometrie (REMPI-TOFMS) erlaubt eine kontinuierliche Erfassung aromatischer Schadstoffe aus z. B. Verbrennungsabgasen auch im Spurenbereich. Im Rahmen des Projekts soll ein mobiler REMPI-TOFMS Prototyp aufgebaut werden. Weiterhin sollen sowohl konventionelle Messungen als auch kontinuierliche REMPI-TOFMS Messungen von organischen Luftschadstoffen im Rauchgas technischer Gro\u00dffeuerungsanlagen durchgef\u00fchrt werden. Durch die Untersuchung von Korrelationen zwischen den verschiedenen Schadstoffen (Leitbeziehungen) sollen m\u00f6glichst viele Verbindungen mit der REMPI-TOFMS Methode direkt und kontinuierlich erfa\u00dfbar werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes wurde in den letzten beiden Jahren ein mobiles REMPI-TOFMS-Me\u00dfinstrument entwickelt und aufgebaut, welches an technischen Verbrennungsanlagen wie z. B. M\u00fcllverbrennungsanlagen zur On-line-Messung von aromatischen Verbindungen in Roh- und Reingas eingesetzt werden kann. Neben der Konstruktion des eigentlichen Spektrometers lagen die Schwerpunkte der Arbeiten bei der Entwicklung der entsprechenden Einla\u00df-, Probennahme- und Kalibrationstechnik. Ein spezielles, bis auf 300\u00b0C heizbares, vollst\u00e4ndig aus Quarzglasoberfl\u00e4chen bestehendes Einla\u00df- und Probennahmesystem mit Hei\u00dfgasstaubabscheidung wurde konzipiert und aufgebaut. Dieses ist von besonderer Bedeutung f\u00fcr die On-line-Me\u00dftechnik, da ohne Vorreinigung der Probe gearbeitet wird. Au\u00dferdem mu\u00dfte das REMPI-Analyseninstrument als mobiles, m\u00f6glichst robustes und kompaktes Ger\u00e4t (ca. 1m x 0,8m x 1,2 m) aufgebaut werden. Parallel wurden konventionelle analytische Untersuchungen zur Korre-lation z. B. der PCDD\/F-Emission mit dem Vorkommen von anderen (Leit-)Verbindungen durchgef\u00fchrt. Dazu wurden auch Entwicklungen im Bereich der konventionellen Rauchgasanalytik durchgef\u00fchrt (speziell f\u00fcr den Nachweis leichtfl\u00fcchtiger Verbindungen).<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das neu entwickelte On-line-REMPI-TOFMS-Spektrometer konnte neben vielen erfolgreichen Laborversuchen bereits in einer mehrw\u00f6chigen Me\u00dfkampagne an der Verbrennungsanlage der CUTEC GmbH, Clausthal-Zellerfeld, erprobt werden. Um die entscheidenden Prim\u00e4rprozesse direkt analytisch beobachten zu k\u00f6nnen, wurde eine Me\u00dfstelle am Ende der Nachbrennkammer gew\u00e4hlt. Bei optimalen Verbrennungsbedingungen lassen sich hier beispielsweise Emissionswerte von Naphthalin (200 pptv Be-reich) und Phenanthren nachweisen. Da die M\u00fcllverbrennung ein relativ instation\u00e4rer Proze\u00df ist, treten allerdings h\u00e4ufiger kurzfristige Abweichungen von den optimalen Verbrennungsbedingungen auf. Diese instation\u00e4ren Prozesse f\u00fchren dann zu kurzen Emissionsspitzen. Solche Emissionsspitzen konnten am Ausla\u00df der Nachverbrennungskammer mit der REMPI-TOFMS-Technik erstmals direkt in Echtzeit nachgewiesen werden. Dabei konnten \u00fcber 20 verschiedene Schadstoffe nachgewiesen und quantifiziert werden. Interessanterweise wurde festgestellt, da\u00df unterschiedliche Verbindungen auch sehr verschiedene Zeit – Konzentrationsprofile aufweisen k\u00f6nnen. Dies ist einerseits ein Hinweis auf die komplexen Bildungsmechanismen der Schadstoffe und legt anderseits nahe, das jeweilige Pattern der Schadstoffemissionen mit Betriebszust\u00e4nden der Anlage zu korrelieren. Das weiter verbesserte REMPI-TOFMS-Spektrometer wurde mit einem modifizierten Einla\u00dfsystem und einer neuen Ionenoptik versehen und an der gro\u00dftechnischen Sonderm\u00fcllverbrennungsanlage der GSB mbH in Ebenhausen eingesetzt. Neben polyzyklischen Aromaten konnten an dieser Anlage erstmals Leitverbindungen f\u00fcr Dioxine (PCDD\/F) (Monochlorbenzol) on-line mit dem REMPI-TOFMS Lasermassenspektrometer nachgewiesen werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ver\u00f6ffentlichungen (Auswahl):
\n\u00b7 R.Zimmermann, H.J.Heger, A.Kettrup, U.Boesl: A Mobile Resonance-enhanced Multiphoton Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry Device for On-line Anlysis of Aromatic Pollutants in Waste Incineration Flue Gases: First Results. Rapid Commun. Mass Spectrom. 11 (1997) 1095-1102
\n\u00b7 R. Zimmermann, H.J. Heger, R.Dorfner, U.Boesl, A.Kettrup, Resonante Lasermassenspektrometrie (REMPI-TOFMS: Von der Online-Proze\u00dfanalyse bis zur Schnellanalyse von Bodenproben, in Altholzverwertung-Probleme und L\u00f6sungen Reihe: Initiativen zum Umweltschutz Volume 8, Editors: M.Harms, W.Lorenz, M.Badahir, J.P.Lay; Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Zeller Verlag, Osnabr\u00fcck (1998) 147-164
\n\u00b7 H.J.Heger, R.Zimmermann, R.Dorfner, M.Beckmann, H.Griebel, A.Kettrup, U.Boesl, On-Line Emission Analysis of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons at ppt Concentration Levels in the Flue Gas of an In-cineration Pilot Plant with a Mobile Resonance-Enhanced Multiphoton Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometer, Anal. Chem. 71 (1999) 46-57
\n\u00b7 M. Blumenstock, R. Zimmermann, K.-W. Schramm, A. Kaune, U. Nikolai, D. Lenoir, A.Kettrup: Estimation of the Dioxin Emission (PCDD\/F I-TEQ) from the Concentration of Low Chlorinated Aromatic Components in the Flue and Stack Gas of Waste Incinerators J. Anal. Appl. Pyrolysis 49 (1999) 179-190
\n\u00b7 R.Zimmermann, H.J.Heger, M.Blumenstock, R.Dorfner, K.-W.Schramm, U.Boesl, A.Kettrup, On-Line Monitoring of Chlorobenzene in the Flue Gas of a Full-Scale Hazardous Waste Incinerator with a Mobile REMPI-Time-of-Fight Mass Spectrometer Indirect On-Line Measurement of the Emission of Chlorinated Dioxins (I-TEQ value). Rapid Communic. Mass Spectrom. 13 (1999) 307-314
\nWeiterhin wurde das Projekt regelm\u00e4\u00dfig auf nationalen und internationalen Tagungen und Konferenzen vorgestellt. 1998 wurde der entwickelte REMPI-TOFMS Prototyp auf zwei Messen (ENVITEC, D\u00fcsseldorf und ANALYTICA, M\u00fcnchen) dem Fachpublikum pr\u00e4sentiert.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die erfolgreichen proze\u00dfanalytischen Messungen mit dem, im Rahmen des Projektes neu entwickelten, mobilen REMPI-TOFMS-Ger\u00e4t an einer technischen M\u00fcllverbrennungsanlage (MVA) haben gezeigt, da\u00df die Technik zur zeitaufgel\u00f6sten, industriellen Proze\u00dfanalytik eingesetzt werden kann. Neben der \u00dcber-wachung von Verbrennungsemissionen f\u00fcr die Proze\u00dfoptimierung und -\u00fcberwachung kann das mobile REMPI-TOFMS-Ger\u00e4t auch f\u00fcr eine Vielzahl weiterer Aufgaben, beispielsweise in der Proze\u00dfme\u00dftechnik f\u00fcr die chemische Industrie und in der Umweltanalytik eingesetzt werden. Besonders wichtig war die Erkenntnis, da\u00df die Muster der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) mit bestimmten Anlagen- oder Proze\u00dfzust\u00e4nden korrelieren. Daher k\u00f6nnen diese PAK Muster zu einer on-line Proze\u00dfanalyse von Verbrennungsprozessen herangezogen werden. Umfangreiche konventionelle Me\u00dfreihen (GC-MS) haben ergeben, da\u00df Monochlorbenzol eine besonders geeignete Indikatorverbindung zur Vorhersage der Dioxin-Emission von M\u00fcllverbrennungsrauchgas ist. Monochlorbenzol konnte schlie\u00dflich auch on-line mit REMPI-TOFMS in Rauchgas nachgewiesen werden. \u00dcber die on-line Messung von Indikatorverbindungen wie Monochlorbenzol ist also eine kontinuierliche \u00dcberwachung der PCDD\/F Emission m\u00f6glich.
\nMit den erzielten Ergebnissen wurden die im Antrag auf dieses Forschungsprojekt formulierten Forschungsziele umfassend erf\u00fcllt. In Folgeprojekten wird nun daran gearbeitet, die REMPI-TOFMS Technik soweit zu optimieren, da\u00df ein industrieller Routineeinsatz zur Proze\u00df\u00fcberwachung m\u00f6glich wird bzw. eine Kommerzialisierung der Technik erreicht werden kann.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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