Entstehung von nitrierten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (NPAHs) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen mittels Laser-Fotofragmentierung

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Haisch
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248993947

Nitrierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (NPAKs), gemeinsam mit ihren Muttersubstanzen, den polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), sind wahrscheinlich die gesundheitsschädlichste abiotischen Substanzen. Sie werden für einen großen Teil, mehr als ein Drittel, des mutagenen Potentials von Umgebungsluft verantwortlich gemacht. NPAKs entstehen bei Verbrennungsprozessen in der Gegenwart von NO2. NPAKs in motorischen Abgasen sind besonders gesundheitsgefährdend, weil sie an Rußpartikel binden können, die als Transportvehikel durch die Alveolarmembran in den Organismus und sogar in Blutzellen dienen. Einige Abgasnachbehandlungsstrategien von Diesel-Partikelfiltern (DPF) setzen gezielt NO2 ein, was zu intensiven Diskussionen über die de novo Bildung von NPAKs in Abgasnachbehandlungssystemen führt. Im Vergleich zu anderen Luftschadstoffen ist das Wissen über Auftreten, Bildung und Abscheidung von NPAKs fragmentarisch und unvollständig. Der Grund für diesen Mangel ist die teilweise Flüchtigkeit, die Instabilität und das Fehlen von hinreichend empfindlichen Nachweistechniken. Seit mehr als 20 Jahren wurden auf diesem Gebiet keine wesentlichen Fortschritte gemacht. Gerade die im Abgas übliche Methode des Filtersammelns mit anschließender, getrennter Analyse, ist anfällig für Artefaktbildung. In diesem Projekt schlagen wir einen Ansatz vor, um das Wissen über NPAKs zu erweitern. Dazu soll (1) eine schnelle, artefaktfreie Methode zu Analyse von NPAKs und PAKs entwickelt werden, welche (2) die Untersuchung von NPAK Bildung, Abbau und Sorption von NPAHs aus PAHs auf Aerosolpartikel unter kontrollierten Bedingungen in einem Flußreaktor erlaubt, der einen Abgasstrang simuliert. Basierend auf diesen Messungen soll (3) eine direkte, artefaktfreie Messung von NPAKs und PAKs im Abgasstrang von Verbrennungskraftmaschinen durchgeführt werden. Diese anspruchsvollen Untersuchungen sollen mittels Laser Photofragmentierung (PF) durchgeführt werden. PF ist die selektive Fragmentierung einer chemischen Bindung mittels Licht. Die Selektivität ist definiert über die gewählte Wellenlänge, die einer Photonenenergie entspricht, die wiederum gleich ist der chemischen Bindungsenergie. Die so erzeugten Fragmente, in unserem Fall der NPAK Detektion, die Nitrogruppe und die verbleibenden PAKs, werden entweder über ihre optische Emission detektiert, wenn sie im angeregten Zustand erzeugt werden, oder bei dem Ionenstrom, der durch die Fragmentionen erzeugt wird. Obwohl die Grundlagen der PF schon seit Jahrzenten bekannt sind, glauben wir, dass es durch den Einsatz neuartiger Instrumentierung möglich ist, diese Technik für die routinemäßige hochempfindliche on line Messung von NPAKs zu etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Reinhard Nießner