Umweltmesstechnik Kapitel 3 Physikochemische Grundlagen der Luft

• Luftverunreinigung sind Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Gase und Aerosole

• Mit dem Begriff Luftqualität beschreibt man wiederum die Beschaffenheit der Luft in Bezug auf den Anteil von Luftverunreinigungen

• Wenn eine Luftverunreinigung eine schädliche Umwelteinwirkung verursachen kann, so spricht man von einem Schadstoff

1. Beteiligte Substanzen und Radikale

• VOC (Volatile Organic Compounds): Flüchtige organische Verbindungen wie Methan oder Isopren. Ausgangspunkt vieler Reaktionen.

• OH (Hydroxylradikal): "Reinigungsmittel" der Atmosphäre, stark reaktiv, oxidiert VOCs.

• HO₂ (Hydroperoxylradikal): Produkt aus der Reaktion von OH mit VOCs.

• RO₂ (Organisches Peroxylradikal): Entsteht bei der Oxidation von VOCs.

• NO (Stickstoffmonoxid): Kommt aus Verbrennungsprozessen.

• NO₂ (Stickstoffdioxid): Oxidiertes NO, wichtig für die Ozonbildung.

• O₃ (Ozon): Schadstoff in Bodennähe, Schutzschild in der Stratosphäre.

• H₂O₂ (Wasserstoffperoxid): Stabiles Produkt aus Radikalreaktionen.

• HCHO (Formaldehyd): Ein einfaches Sauerstoffprodukt aus der Oxidation von VOCs.

• HONO (Salpetrige Säure): Zerfällt bei Sonneneinstrahlung zu OH-Radikalen.

• HNO₃ (Salpetersäure): Produkt aus der Reaktion von NO₂ mit OH.

• RONO (Organisches Nitrat): Speicherform für NOₓ (NO + NO₂).

• OVOC (Oxygenated VOCs): Sauerstoffhaltige VOCs wie Formaldehyd.

• SOA (Secondary Organic Aerosols): Feine Partikel aus der VOC-Oxidation.

2. Reaktionskette und Kreislauf

a) Startpunkt: HONO und O₃

1. HONO-Dissoziation durch Licht (hv): ➔ Sonnenlicht zerlegt HONO in OH-Radikale und NO.

2. Ozon-Zerfall: ➔ Ozon zerfällt durch UV-Strahlung und bildet reaktive OH-Radikale.

b) VOC-Oxidation und Radikalbildung

1. Reaktion von OH mit VOCs: ➔ VOCs reagieren mit OH-Radikalen und bilden organische Peroxylradikale (RO₂).

2. Interaktion von RO₂ mit NO: ➔ Bildung von Stickstoffdioxid (NO₂) und organischen Nitraten (RONO).

c) Ozonbildung aus NO₂

1. NO₂-Photolyse: ➔ NO₂ wird durch Licht in NO und atomaren Sauerstoff zerlegt, wodurch Ozon entsteht.

d) Sekundärprodukte aus Radikalen

1. Bildung von OVOCs und H₂O₂: ➔ Organische VOC-Derivate und Wasserstoffperoxid werden gebildet.

2. Bildung von HNO₃: ➔ Stickstoffdioxid reagiert mit OH zu Salpetersäure (HNO₃).

3. SOA-Bildung: VOC-Oxidation erzeugt sekundäre organische Aerosole (SOA), die als Feinstaubpartikel in der Atmosphäre verbleiben.

3. Zusammenfassung des Kreislaufs

• HONO und O₃: Initiale Radikalbildung durch Lichtreaktionen.

• OH-Radikale: Oxidieren VOCs und starten Kettenreaktionen.

• RO₂ und HO₂: Interagieren mit NO, fördern Ozon- und OVOC-Bildung.

• NO₂-Photolyse: Schließt den Kreislauf, indem es Ozon regeneriert.

• Sekundärprodukte: HNO₃, OVOCs und SOA tragen zur Luftchemie bei.

• 4. Lernhinweise

  • Verknüpfungen merken: Jede Substanz spielt eine Rolle im Kreislauf.

  • hv = Lichtreaktionen: Alles mit "hv" ist durch UV-Strahlung ausgelöst.

  • Radikale als Schlüssel: OH, RO₂, HO₂ treiben die meisten Reaktionen an.

• Luftschadstoffe ist durch menschliche Aktivitäten oder natürliche Prozesse in die Atmosphäre emittierte Substanz mit nachteiligem Einfluss auf die Luftqualität

• Emissionsbeiträge aus natürlichen Quellen sind Schadstoffemissionen, die nicht unmittelbar durch menschliche Tätigkeit verursacht wird:

  • Vulkanausbrüche, Erdbeben

  • Geothermische Aktivitäten

  • Freilandbrände

  • Stürme

  • Meeresgischt

  • Atmosphärische Aufwirbelung/Transport

1. Oxidationspotential Fähigkeit der Atmosphäre zur Bildung oxidierender Stoffe, die oxidativen Stress verursachen (zellschädigene oxidative Prozesse).

   • Luftschadstoff: Ozon (O₃)

   • Quelle: Reaktionen von Stickoxiden (NOₓ) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) unter Sonneneinstrahlung, z. B. durch Fahrzeugemissionen.

1. Aziditätspotential Beitrag zur Versauerung der Umwelt durch die Deposition von Säurevorläufersubstanzen.

   • Luftschadstoff: Schwefeldioxid (SO₂)

   • Quelle: Verbrennung von Kohle oder Öl in Kraftwerken und Heizungen.

1. Eutrophierungspotential Fähigkeit, Nährstoffe in einem Ökosystem anzureichern, was z. B. zu Algenblüten führt.

   • Luftschadstoff: Ammoniak (NH₃)

   • Quelle: Landwirtschaftliche Aktivitäten, insbesondere Düngung und Viehhaltung.

1. Relativer Beitrag eines Stoffes zum stratosphärischen Ozonabbau.

   • Luftschadstoff: Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)

   • Quelle: Verwendung in Kühlmitteln und Treibgasen (historisch, da mittlerweile reguliert).

1. Treibhauspotential Beitrag eines Spurenstoffes zum Treibhauseffekt durch Strahlungsantrieb.

   • Luftschadstoff: Kohlendioxid (CO₂)

   • Quelle: Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas in der Industrie und im Verkehr.

SO2 - UV Fluoreszenz

NO2 - Chemilumineszenz

PM10;2,5 - Gravimetrie

O3 - UV-Photometrie