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Ein modellbasierter Dreistufenklassifikator für Schwebestaub

Das IDP entwickelte für Particle Vision GmbH einen universell einsetzbaren dreistufigen Klassifikator, welcher die Partikel gemäss ihrer chemischen Zusammensetzung in mehrere tausend Klassen einteilt.

Matrix der ternären Plots der Hauptklasse Si-Ca-Na-Cl mit den vier Unterklassen (grün, rot, gelb und purpur) und ein paar Partikeln, welche keiner dieser Unterklassen angehören (schwarz). Mit * an der oberen Spitze der ternären Plots sind jeweils die Anteile derjenigen beiden Elemente summiert, welche nicht explizit an einem der beiden andern Ecken dieses ternären Plots vermerkt sind. Der Kohlenstoff- (dritte Klassifikationsstufe) und Sauerstoffgehalt der Partikel wird bei dieser Darstellung nicht berücksichtigt. Die hier dargestellten Partikel bestehen aus den drei (reinen) Phasen Quartz (SiO₂), Calzit (CaCO₃) und Halit (NaCl), wobei deren Anteile je nach Partikel unterschiedlich sind.

Mittels Elektronenmikroskopie (REM-EDS) können bereits seit Jahren einzelne Partikel im µm-Bereich gleichzeitig chemisch und morphologisch untersucht werden. Bis dato wurde diese Methode jedoch praktisch ausschliesslich in Forschungsprojekten eingesetzt, da der Aufwand für die Durchführung der Messungen und die manuelle Analyse der gewonnenen Daten mangels geeigneter Standardisierung für die Routineanalytik nicht finanzierbar war. Zudem sind die anfallenden Datenmengen riesig, so dass es schwierig ist, ohne ausgefeilte statistische Methoden einen Überblick über die Vielfalt der Partikel zu behalten. Das IDP entwickelte deshalb für Particle Vision GmbH einen universell einsetzbaren dreistufigen Klassifikator, welcher die Partikel gemäss ihrer chemischen Zusammensetzung in mehrere tausend Klassen einteilt. Auf der ersten Regel basierten Stufe werden die Partikel gemäss den vorkommenden chemischen Elementen in Hauptklassen eingeteilt. Auf der zweiten Stufe werden alle Partikel innerhalb derselben Hauptklasse mit einem modellbasierten Ansatz noch feiner in Unterklassen eingeteilt. Da der Kohlenstoff-Gehalt mit der heutigen Messtechnik nur semi-quantitativ erfasst werden kann, wird bei den ersten beiden Stufen der Kohlenstoff-Gehalt nicht berücksichtigt. Auf der dritten Regel basierten Stufe werden deshalb die Haupt- und Unterklassen zusätzlich in drei C-Klassen mit keinem bzw. niedrigem, mässigem und hohem Kohlenstoff-Gehalt unterteilt.

Heatmap der Elementarzusammensetzung von 889 Partikeln einer Probe von Kaiseraugst. Eine senkrechte Spalte in der Heatmap entspricht jeweils einem spezifischen Partikel, wobei diese gemäss ihrer Zusammensetzung von links nach rechts sortiert wurden. Die nur semiquantitativ erfassbaren Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff werden in der Heatmap nicht dargestellt. Somit entsprechen z.B. die "violetten" Partikel links oben (=100% Si) in der Aussenluftprobe Quartz-Partikeln (SiO₂) und die 100% Fe rechts aussen verschiedenen Eisenoxiden.

Mittels chemischem, geologischen und lufthygienischem Fachwissen werden die einzelnen Unterklassen anschliessend Substanzen zugeordnet, welche charakteristisch für bestimmte Emissionsquellen sind. Mit diesem Verfahren werden z.Z. mehrere tausend unterschiedliche Partikelklassen identifiziert.