Chemische Messsystem - Freiwillige Feuerwehr Herzogenrath

Das chemische Mess-System
Dieses System besteht aus zwei voneinander unabhängigen Einzelkomponenten.
Die beiden Messgeräte arbeiten nach grundverschiedenen physikalisch-chemischen
Messprinzipien. Während eine Komponente (PID) des Systems dem Aufspüren von
luftgetragenen Gefahrstoffen dient, ist die andere Komponente (IMS) in der Lage,
solche Schadstoffe nachzuweisen.
Die Einsatzkräfte werden so in die Lage versetzt, multidimensionale Messungen
durchzuführen. In den Bereichen, in denen mit den beiden Messgeräten nicht
gemessen werden kann, werden Messungen mit Prüfröhrchen durchgeführt.
Somit erhalten die Einsatzkräfte ein Bild der Situation, das aus verschiedenen
Informationen besteht. Aus diesen kann dann ein Gesamtbild der Belastungssituation
am Einsatzort erstellt werden.
Photoionisationsdetektor
Photoionisationsdetektor (PID)
Seit 1976 sind Photoionisationsdetektoren kommerziell erhältlich. Sie sind wegen ihrer
Empfindlichkeit gegenüber aromatischen Kohlenwasserstoffen und anorganischen
Verbindungen, sowie ihrer nicht destruktiven Natur (d. h. bei der Analyse werden die
Schadstoffmoleküle nicht zerstört), sehr beliebt.
Der Photoionisationsdetektor ist ein kontinuierlich arbeitender, direkt anzeigender
Detektor, der zum Spüren und Messen von Gefahrstoffen benutzt wird.
Der PID eignet sich aufgrund dieses Sachverhaltes sehr gut zum Nachweis
luftgetragener Schadstoffe, er erlaubt eine sofortige Aussage darüber, ob die
Konzentration eines Schadstoffes ansteigt, absinkt oder gleich bleibt.
Die Todzeit des Geräts beträgt 2 Sekunden.
Voraussetzung dafür, dass Schadstoffe detektiert werden ist, dass sich die
Schadstoffe aufgrund ihrer Struktur, ihrer molekularen Eigenschaften durch das Prinzip
der Photoionisation bestimmen lassen.

Mit diesem Messgerät kann eine Vielzahl von Industriechemikalien nachgewiesen
werden. Das Gerät arbeitet kontinuierlich und liefert ständig ein Bild über die
Belastungssituation mit Gefahrstoffen am Einsatzort.
Es eignet sich für den summarischen Nachweis von Luft- und
Bodenkontaminationen, für die Lecksuche in Industrieanlagen, zur Arbeitsplatzüberwachung.
Die Messung bei Chemieunfällen ist ebenso möglich wie die
Überwachung des Dekontaminationsplatzes oder der Einsatzleitzentrale.
Typische Stoffe, die mit diesem Gerät erfasst werden können sind: Aliphatische
Kohlenwasserstoffe ab einer C- Zahl > 5, die BTX- Aromaten sowie Aceton und eine
breite Palette von organischen Verbindungen. Ein Einzelstoffnachweis einer
unbekannten Substanz ist nicht möglich, da der PID immer ein Summensignal liefert.
Funktionsprinzip des PID:
Der PID besteht aus einer UV-Lampe und einer Ionisationskammer. Die Lampe ist mit einem Gas
(normalerweise mit Argon oder Wasserstoff) gefüllt, dieses Gas erzeugt eine
charakteristische Emissionslinie für den Fall, dass es angeregt wird. Die Strahlung tritt durch
ein Metallfluoridfenster (MgF2) in die Ionisationskammer oder Zelle.
Die Elektroden sammeln die Ionen und der gemessene Strom ist proportional zur
Probenkonzentration.
Die Wirkungsweise des PID beruht darauf, dass Probenmoleküle durch die Absorption
von UV Licht ionisiert werden. Die daraus resultierenden Ionen (positiv oder negativ
geladen) werden zwischen zwei Elektroden mit einer Spannung von 50 bis 200 Volt
gemessen. Die verwendete Lampe bestimmt die Energie der Photonen und damit
auch die Verbindungen, die nachgewiesen werden können, da jede Verbindung ihr
eigenes Ionisationspotential besitzt.
Somit wird klar, dass die Grenzen des PID in der Energie der verwendeten UV- Lampe liegt.
Die üblicherweise verwendeten Quarzlampen verfügen über eine Ionisationsenergie
von 10,6 eV.

Daraus folgt, dass Stoffe mit einem höheren Ionisationspotential (> 10,6 eV) von der
Lampe nicht ionisiert werden können.
Die normalen Bestandteile der Luft wie Sauerstoff (12,08 eV), Argon (15,8 eV) oder
Stickstoff (15,58 eV) werden durch die Lampe nicht ionisiert.
Generelle Einsatzmöglichkeiten für den PID:
Bestimmung der Konzentration von bekannten Schadstoffen (Messen),
Auffinden von Leckagen an Behältern oder Anlagen (Spüren),
Auffinden von Geruchsquellen innerhalb von Gebäuden (Spüren)
Detektion von Schadstoffen (Summensignal) im Brandeinsatz (Spüren).

Ionenmobilitätsspektromter
Allgemeines Prinzip:
Im Jahre 1970 wurde dieses Messverfahren unter dem Namen Plasmachromatographie
vorgestellt.
Dieses Messverfahren zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus:
Niedrige Nachweisgrenze (unterer ppbv Bereich),
Kurze Analysenzeiten,
Ionenmobilitätsspektrometer
Detektierbarkeit von unterschiedlichen Substanzen bei Normaldruck (1013 mbar),
In einem Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) werden die in einem Gas vorliegenden Moleküle
eines Stoffes unter Normaldruck ionisiert.
Nach der Ionisation gelangen die ionisierten Moleküle durch ein elektrisches
Schaltgitter, welches periodisch geöffnet wird, in den so genannten Driftraum bzw. auf
eine Driftstrecke.
An die Driftstrecke ist ein möglichst homogenes elektrisches Feld angelegt. Die auf der
Driftstrecke befindlichen ionisierten Moleküle wandern entlang der Feldlinien des elektrischen
Feldes und entgegen der Strömungsrichtung eines Gases, dem so genannten Driftgas,
in Richtung einer Elektrode. Treffen diese Moleküle nach einer bestimmten Zeit,
abhängig von der Größe des gebildeten ionisierten Moleküls, beim Detektor ein, so erzeugen
sie dort beim Auftreffen ein elektrisches Signal.
Dieses Signal wird durch geeignete elektronische Bauteile verstärkt, es wird das
Innenmobilitätsspektrum erzeugt.

Die mittlere Zeit, welche die Ionen benötigen, um eine bestimmte Wegstrecke in der
Driftröhre zurückzulegen, ist bestimmt durch die Anzahl der Zusammenstöße dieser
Moleküle, mit neutralen Molekülen des Driftgases.
Es gilt, Ionen gleicher Ladung, aber unterschiedlicher Massen und/oder Struktur,
erreichen dabei unterschiedliche Geschwindigkeiten und werden schlussendlich
voneinander getrennt.
Das Ionenmobilitätsspektromter ist ein sehr empfindliches Messgerät, das sowohl
Industriechemikalien nachweisen kann als auch chemische Kampfstoffe. Da dieses
Gerät aus dem militärischen Bereich stammt, ist der Nachweis von chemischen
Kampfstoffen mit einer außerordentlich hohen Selektivität möglich. Das bedeutet,
dass sehr kleine Konzentrationen von chemischen Kampfstoffen nachgewiesen
werden können.
Darüber hinaus ist das IMS in der Lage, ausgewählte Industriechemikalien, sowie die
wichtigsten Rauchgasinhaltsstoffe, ohne wesentliche Querempfindlichkeiten, nachzuweisen.
Gefahrstoff Beispiele: Brandrauch:
Chlor (als HCl) immer im Brandrauch zu finden
Ammoniak z.B. aus Düngemitteln
CKW`s Kunststoffe
TDI (Toluoldiisocyanat) Polyurethan-Schaumstoffe
SO2 Natur- Kunstfasern
Essigsäure
Blausäure immer im Brandrauch zu finden
Somit ist das IMS im Brandeinsatzfall eine hervorragende Ergänzung zu einer GC-
MS-Kopplung, da von dieser die anorganischen Gefahrstoffe schlecht oder gar nicht
detektiert werden.