Wat is fijn stof? Wat zijn de oorzaken en hoe wordt dit

Wat is fijn stof? Wat zijn de oorzaken en hoe
wordt dit gemeten?
Jeroen Staelens
Antwerpen, 4 september 2014
Overzicht
• Wat is fijn stof?
• Omschrijving en impact
• Emissies Vlaanderen
• Hoe wordt fijn stof gemeten? Resultaten?
• Massa
• Samenstelling → bronnen
• Ultrafijn stof
2
Wat is fijn stof?
• Zwevend stof
• Particulate matter (PM)
• Mengsel van vloeibare of vaste deeltjes in lucht
• Uiteenlopende grootte, vorm, samenstelling
• Bronnen
• Natuurlijke oorsprong en menselijke activiteiten
• Naargelang oorsprong
• Primair: rechtstreekse uitstoot in atmosfeer
• Secondair: ontstaan in atmosfeer uit gassen
3
Indeling volgens grootte
(equivalente aerodynamische diameter)
Aerodynamische Ø
stofdeeltjes
10 µm
2,5 µm
0,1 µm
PM10
Menselijk haar
50-70 µm diameter
PM2,5
< 2,5 µm diameter
PM10
< 10 µm diameter
PM2.5
PM0,1 of UFP
Ultrafijne deeltjes
Fijn strandzand
90 µm diameter
4
Bron: EPA (http://www.epa.gov)
Deeltjesgrootteverdeling
Typisch stedelijk aerosol
PM10
UFP
PM2,5
Aantal
Oppervlak ~ Ø2
Volume of massa
5
~ Ø3
Bron: Seinfield & Pandis (2006)
Zwarte koolstof
• Onderdeel van fijn stof
• Vooral in ultrafijne fractie
• Gevormd bij onvolledige verbranding van
• Fossiele brandstoffen
• Biomassa
• Biobrandstof
• Maat voor de roetconcentratie in de lucht
6
Gezondheidseffecten fijn stof
• PM: gezondheidseffecten korte + lange termijn
• WGO: geen veilige drempelwaarde waaronder geen
effecten voorkomen
• Korte episodes (24 u) verergeren bestaande
gezondheidsproblemen (bv. astma)
• Chronische blootstelling: toename chronische
luchtwegaandoeningen, lagere levensverwachting
• WGO: dieselroet is kankerverwekkend
• Zwarte koolstof, ultrafijne deeltjes, …
• Aanwijzingen dat ook andere aspecten dan bulk
massaconcentratie relevant zijn
7
Andere effecten fijn stof
• Hinder
• Verminderde zichtbaarheid
• Bevuiling van blootgestelde oppervlakken
• Klimaatverandering
• Zowel afkoelend als opwarmend effect
• Verzuring en vermesting
• Secondair fijn stof
8
Impactplaats fijn stof
• Afhankelijk van deeltjesgrootte
(aerodynamische Ø)
•
•
•
•
> 10 µm
2,5 - 10 µm
2,5µm
<0,1 µm
→ neus-keelholte
→ bronchiën
→ longblaasjes
→ bloedbaan
9
Gezondheidsimpact fijn stof
10
Bron: MIRA / VITO - Buekers et al. (2012)
Emissies PM10 in 2012
11
Bron: VMM (2014) Jaarverslag lozingen in de lucht
Emissies PM2,5 in 2012
12
Bron: VMM (2014) Jaarverslag lozingen in de lucht
Hoe wordt fijn stof gemeten?
Massaconcentratie fijn stof
13
Waarom luchtmetingen?
• Rapportering algemene luchtkwaliteit /
luchtverontreiniging
• Toetsen aan regelgeving
• Informeren bevolking (o.a. smogalarm)
• Bronnen en vervuilers identificeren
• Beleid
• Effectiviteit genomen maatregelen
• Beleid bijsturen
14
Fijn stof
Massaconcentratie
• Referentiemethode
• EN12341 (PM10) en EN14907 (PM2,5)
• 24-u monsterneming filter en gravimetrische analyse
• Continue metingen noodzakelijk (real time)
• β-straling: absorptie door stofdeeltjes op filter
• Oscillerende microbalans: frequentieverandering door
stofdeeltjes op filter
• Optisch: verstrooiing van licht door stofdeeltjes
15
Referentiemethode
• PM (µg/m3) = (massabeladen – massaonbeladen) / debiet
• Monstername
•
•
•
•
Specifieke inlaat (PM10 of PM2,5)
Luchtdebiet: 2,3 m3/u (huidige norm ook 68 m3/u)
24 u bemonstering
Filter: kwartsvezel, glasvezel, …
• Gravimetrische analyse
•
•
•
•
Weegkamer
Standaardomstandigheden (T, RH)
Microbalans
2 x 2 keer wegen van filter
16
Schema standaard PM
monsternametoestel
ambient T en P:
omgevingsomstandigheden
17
Bron: Draft document FprEN12341:2013 (CEN/TC264/WG15)
Voorbeelden van PM
monsternametoestellen
Leckel SEQ 47/50
Laagvolume-sampler
Derenda LVS 3.1
Laagvolume-sampler
18
Digitel DHA-80
Hoogvolume-sampler
Voor- en nadelen
referentiemethode
• Voordelen
•
•
•
•
Standaard referentiemethode
Diverse toestellen voor verschillende toepassingen
Fijnstofmonsters beschikbaar voor verder analyse
Betrouwbaar
• Nadelen
•
•
•
•
•
Bemonsteringsartefacten (semi-vluchtige componenten)
Filtermanipulatie en -weging
Arbeidsintensief
Lage tijdsresolutie
Geen online gegevens
19
Absorptie van β-straling
• Principe
• Verzwakking van β-straling door stof op filterband
• Voorbeelden van monitoren
• BAM 1020, ESM, BETA 5014i, …
• Voordelen
• Stabiel
• Kalibratieplaatjes
• Nadelen
• Deels afhankelijk van samenstelling fijn stof
• Filter niet beschikbaar voor chemische analyse
• Radioactieve bron (vergunning)
20
Oscillerende microbalans
• Principe
• Frequentieverandering van filter op oscillerend glazen buisje
door toename van de stofbelading op de filter
• Voorbeelden van monitoren
• TEOM 1400ab, TEOM-FDMS 1405-F
• Voordelen
• Onderscheid vluchtige / niet-vluchtige fractie (FDMS)
• Korte responstijd
• Nadelen
• Deels afhankelijk van samenstelling fijn stof
• Filter niet beschikbaar voor chemische analyse
21
Optisch: lichtverstrooiing
• Principe
• Meten van lichtverstrooiing door individuele stofdeeltjes
• Grootte van deeltjes = f(pulshoogte)
• Voorbeelden van monitoren
• EDM 180, FIDAS 200, …
• Voordelen
• Lichte en kleine toestellen mogelijk
• Onderhoudsarm
• Bemonstering van stof op filter is mogelijk
• Nadelen
• Lichtverstrooiing ook afhankelijk van vorm en samenstelling
• Veronderstelde massadichtheid van deeltjes
22
Kalibratiefactoren
• Fijn stof = heterogeen mengsel
• Geen representatieve referentiemonsters beschikbaar
• Equivalentie
• Is ‘kandidaatmethode’ equivalent aan referentiemethode?
• Veldtesten noodzakelijk: voldoende plaatsen, voldoende lang
• Volgens Europese regelgeving “Guide to demonstration of
equivalence”
• Equivalent
• Equivalent na kalibratie
→ kalibratiefactoren
• Niet equivalent
125
CM PM10 (µg/m³)
• Resultaat equivalentietesten
Orthogonal regression
Candidate vs. Reference Method
100
75
50
25
0
0
25
50
75
RM PM10 (µg/m³)
23
100
125
Fijn stof massaconcentratie
VMM-meetnet 2013
Type
Leckel
Aantal
Meettechniek
Gravimetrisch
BAM 1020 β-absorptie
Kalibratiefactor
PM 10
PM 2,5
PM 10
PM 2,5
-
5
N.v.t.
N.v.t.
-
1
-
x 0,93
ESM
β-absorptie
20
3
x 1,25
x 1,27
TEOM
Oscillerende microbalans
5
-
Variabel
-
TEOMFDMS
Oscillerende microbalans
met correctie voor afdamping
11
4
x 1,00
x 1,00
24
Resultaten?
Massaconcentratie fijn stof
25
Jaargemiddelde PM10
Interpolatiekaart 2011
26
Jaargemiddelde PM10
Interpolatiekaart 2012
27
Jaargemiddelde PM10
Interpolatiekaart 2013
28
Evolutie jaargemiddelden PM10
Virtuele stations 1996-2013
29
PM10 > daggrenswaarde
Aantal meetstations
2013: overschrijding in 3 van de 36 meetstations
30
Jaargemiddelde PM2,5
Interpolatiekaart 2013
31
Evolutie jaargemiddelden PM2,5
Virtuele stations 2004-2013
32
Hoe wordt de samenstelling van fijn stof gemeten? Resultaten?
Samenstelling fijn stof
33
Samenstelling fijn stof
Waarom meten?
• Waarom?
• Bronidentificatie
• Inschatting gezondheidsimpact
• VMM
• PM2,5 op 1 achtergrondlocatie (richtlijn 2008/50/EG)
• PM10 in 5 ‘ChemKar’ campagnes sinds 2006 (met
telkens 6-12 meetplaatsen)
34
Samenstelling fijn stof
Hoe meten?
• Bemonstering fijn stof
• Referentiemethode: 1 staal per dag
• Chemische karakterisering om de 4-6 dagen
• Filter verdelen en evt. staalvoorbereiding
• Chemische analyse
• Elementaire en organische koolstof (TOT-NIOSH)
• Verschillende thermische protocollen mogelijk
• Wateroplosbare ionen (IC en IC-OES)
• NO3-, SO42-, NH4+, Cl-, Na+, K+, Mg2+ en Ca2+
• Elementen (ICP-MS, ICP-OES)
• Al, As, Ba, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, K, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Ti, V en Zn
• Levoglucosan (GC-MS na derivatisatie)
• Merker voor houtverbranding (pyrolose van cellulose)
35
Hoofdcomponenten fijn stof
• Elementaire en organische koolstof
• Elementaire koolstof (EC): verbranding van fossiele brandstoffen
• Organische massa (1,4 x OC): primair en secondair fijn stof
• Wateroplosbare ionen
• Zeezout spray: Na+ en Cl• Secondaire anorganische ionen (NO3-, NH4+, niet-zeezout-SO42-)
• Elementen
• Mineraal stof (bodemstof)
• Specifieke bronnen (bv. Cu-emissie door slijtage remmen)
• Levoglucosan
• Organische massa door houtverbranding (9,1 x levoglucosan)
• Fijn stof
“
“
(10,7 x levoglucosan)
36
Samenstelling PM10 Vlaanderen
6 meetplaatsen, 2006-2007
Secundaire
anorganische
ionen (41%)
37
Bron: VMM (2009)
Samenstelling PM2,5 Retie
Landelijke achtergrond, 2009-2013
18
andere
16
2,5
mineraal stof
3,0
14
0,6
2,6
1,0
12
2,6
PM2,5 (µg/m3)
2,8
0,6
0,2
2,1
2,3
1,7
1,7
3,6
3,5
0,3
0,3
3,0
3,0
0,4
2,5
2,7
10
2,6
niet-zeezoutsulfaat
ammonium
1,8
1,9
1,7
8
nitraat
3,5
6
3,1
3,7
zeezout
1,1
4
2
3,6
0,8
0,3
3,1
3,5
organische massa
elementair koolstof
0
0,46
0,37
0,38
0,37
2009
2010
2011
2012
38
0,32
2013
Bron: VMM (in voorbereiding)
ChemKar meetcampagnes
• 2006-2007
• Verschillende types meetplaatsen (n = 6)
• 2008-2009
• Achtergrondstations (n = 3) vs. ‘hotspots’ (n = 6)
• 2010-2011
• Houtverbranding (n = 7)
• Variatie in provincie Antwerpen (n = 4)
• 2011-2012: achtergrond, invalsweg en street canyon
• Oostende, Brugge, Gent, Antwerpen (n = 12)
• 2013-2014: veel vs. weinig verkeer in centrumsteden
• Leuven, Aalst, Hasselt, Kortrijk , Mechelen (n = 10) + A’pen
39
Gemiddelde bijdrage
houtverbranding aan PM10
7 meetplaatsen, 2010-2011
Gemiddelde bijdrage = 1,8 µg/m3
= 7% tot PM10
40
Bron: VMM (2011)
Bijdrage houtverbranding aan
organisch materiaal in PM10
7 meetplaatsen, 2010-2011
7
OM(andere)
OM(hout)
6
5
3.20
1.35
1.26
µg/m3
4
1.50
1.41
1.20
3
0.78
2
3.85
3.27
1
3.51
3.54
2.99
2.95
Lier
Retie
2.06
0
Houtem
Gent
Hamme
Borgerhout
41
Mechelen
Bron: VMM (2011)
EC
OM
PM10 aan invalswegen,
achtergrond
en street canyons
zeezout NO3
NH4
nssSO4 mineraal stof andere
12 meetplaatsen, 2011-2012
3
PM10 (µg/m )
40
35
30
25
20
15
10
5
Antwerpen
Brugge
Gent
42
canyon
achtergrond
invalsweg
canyon
achtergrond
invalsweg
canyon
achtergrond
invalsweg
canyon
achtergrond
invalsweg
0
Oostende
Bron: VMM (2013)
Hoe wordt ultrafijn stof gemeten?
Ultrafijn stof
43
Ultrafijn stof
Waarom meten?
• Huidige regelgeving fijn stof
• Gericht op massaconcentratie (µg/m3)
• Aanwijzingen dat ook andere aspecten belangrijk zijn vanuit
gezondheidsstandpunt
• PM0,1 = UFP
PM10
• Kleine bijdrage aan massaconcentratie
• Groot aantal ultrafijne deeltjes (UFP)
→ aantalconcentratie (deeltjes/cm3)
• Nog geen regelgeving UFP
• Geen systematische monitoring
• Recente ontwikkeling van meettoestellen
44
UFP
PM2,5
Ultrafijn stof
Hoe meten?
• Deeltjesaantal
• Totaal aantal
• Aantal per grootteklasse → deeltjesgrootteverdeling
16 000
dN/dlogDp (particles cm-3)
14 000
12 000
10 000
8 000
6 000
4 000
2 000
0
10
100
Particle Diameter (nm)
45
1000
Totaal aantal deeltjes
• Optische deeltjesteller?
• Lichtverstrooiing door afzonderlijke deeltjes
• Maar: UFP te klein voor detectie
• Condensatiedeeltjesteller (CPC)
• Deeltje vergroot via condensatie van damp
op afzonderlijk deeltje
(www.machinerylubrication.com)
> 1 µm
• Toestellen
• CPC op basis van water of butanol
TSI 3783 EPC
46
Deeltjesgrootteverdeling
1. Charger (neutralizer)
• Deeltjes in gekende ladingsverdeling
2. Elektrostatische classificatie
• Indeling in grootteklassen op basis
van elektrische mobiliteit (~ diameter
en lading van deeltje)
3. Deeltjesteller
• Deeltjesaantal per grootteklasse
•
Toestel
• SMPS (scanning mobility particle
sizer)
47
Recent onderzoek VMM
ultrafijn stof
• Europees project Joaquin
• Joint Air Quality Initiative
• Met de steun van INTERREG IVB NWE
• (Ultra)fijn stof
•
•
•
•
Samenstelling en oxidatief potentiaal van PM10
Continue metingen van UPF, zwarte koolstof en NO2
Relaties tussen verschillende luchtkwaliteitsparameters
Intensieve UFP-meetcampagnes in Antwerpen in 2013
48
Dagverloop deeltjesaantal
3 meetplaatsen in Antwerpen
Februari en oktober 2013
Totaal deeltjesaantal (deletjesl/cm 3)
30000
25000
Stedelijke achtergrond - feb
20000
Stedelijke achtergrond - okt
Stadspark - feb
15000
Stadspark - okt
10000
Voorstedelijk - feb
5000
Voorstedelijk - okt
0
Tijdstip van de dag (lokale tijd)
49
Bron: VMM (in voorbereiding)
Deeltjesaantal vs. zwarte koolstof
4 meetplaatsen in Antwerpen
Oktober 2013
Deeltjesaantal 100-200 nm (deeltjes/cm 3)
8000
6000
Stedelijke achtergrond
R² = 0.8659
Stadspark
4000
R² = 0.7089
Voorstedelijk
R² = 0.5444
2000
Ring
R² = 0.737
0
0
5
10
15
Zwarte koolstof (µg/m 3)
50
Bron: VMM (in voorbereiding)
Deeltjesaantal vs. verkeer
Bv. stedelijke achtergrond Antwerpen
Februari en oktober 2013
Deeltjesaantal 10-20 nm (particles/cm 3)
12000
10000
8000
Stedelijke achtergrond februari
R² = 0.1763
6000
Stedelijke achtergrond oktober
4000
R² = 0.2634
2000
0
0
500
1000
1500
2000
Verkeersintensiteit (voertuigen/30 min)
51
Bron: VMM (in voorbereiding)
Meer informatie?
• www.vmm.be > lucht
• Actuele luchtkwaliteit
• Gemiddelde luchtkwaliteitsindex
• Geoloket lucht
52
Meer informatie?
• www.joaquin.eu
• atmosysys.eu
53
Meer informatie?
• www.properelucht.be
54