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)

4 4

10 µm

2,5 µm

0,1 µm

PM10

PM2.5

Aerodynamische Ø

stofdeeltjes

Bron: EPA (http://www.epa.gov)

Menselijk haar

50-70 µm diameter

PM2,5

< 2,5 µm diameter

PM10

< 10 µm diameter

Fijn strandzand

90 µm diameter

PM0,1 of UFP

Ultrafijne deeltjes

Deeltjesgrootteverdeling Typisch stedelijk aerosol

5 Bron: Seinfield & Pandis (2006)

Aantal

Oppervlak ~ Ø2

Volume of massa ~ Ø3

PM2,5

PM10

UFP

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 → neus-keelholte

• 2,5 - 10 µm → bronchiën

• 2,5µm → longblaasjes

• <0,1 µm → 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

Massaconcentratie fijn stof

Hoe wordt fijn stof gemeten?

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

17 Bron: Draft document FprEN12341:2013 (CEN/TC264/WG15)

ambient T en P:

omgevingsomstandigheden

Voorbeelden van PM

monsternametoestellen

18

Derenda LVS 3.1

Laagvolume-sampler

Leckel SEQ 47/50

Laagvolume-sampler

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

• 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)

Absorptie van β-straling

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”

• Resultaat equivalentietesten

• Equivalent

• Equivalent na kalibratie

→ kalibratiefactoren

• Niet equivalent

23

0

25

50

75

100

125

0 25 50 75 100 125

CM

PM

10 (µg/m

³)RM PM10 (µg/m³)

Orthogonal regression Candidate vs. Reference Method

Fijn stof massaconcentratie

VMM-meetnet 2013

24

Type Meettechniek

PM10 PM2,5 PM10 PM2,5

Leckel Gravimetrisch - 5 N.v.t. N.v.t.

BAM 1020 β-absorptie - 1 - x 0,93

ESM β-absorptie 20 3 x 1,25 x 1,27

TEOM Oscillerende microbalans 5 - Variabel -

TEOM-

FDMS

Oscillerende microbalans

met correctie voor afdamping11 4 x 1,00 x 1,00

Aantal Kalibratiefactor

Massaconcentratie fijn stof

Resultaten?

25

26

Jaargemiddelde PM10 Interpolatiekaart 2011

27

Jaargemiddelde PM10 Interpolatiekaart 2012

28

Jaargemiddelde PM10 Interpolatiekaart 2013

29

Evolutie jaargemiddelden PM10 Virtuele stations 1996-2013

PM10 > daggrenswaarde Aantal meetstations

30

2013: overschrijding in 3 van de 36 meetstations

Jaargemiddelde PM2,5 Interpolatiekaart 2013

31

32

Evolutie jaargemiddelden PM2,5 Virtuele stations 2004-2013

Samenstelling fijn stof

Hoe wordt de samenstelling van fijn stof gemeten? Resultaten?

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-, SO4

2-, 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

37

Secundaire anorganische ionen (41%)

Bron: VMM (2009)

Samenstelling PM2,5 Retie Landelijke achtergrond, 2009-2013

38

0,46 0,37 0,38 0,37 0,32

3,63,1

3,53,0 3,0

1,1

0,8 0,30,3 0,3

3,5

3,13,7

3,6 3,5

1,8

1,7

1,9

1,7 1,7

2,6

2,7

2,5

2,1 2,3

0,6

0,4

1,0

0,6 0,2

2,5

2,6

3,0

2,6 2,8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

2009 2010 2011 2012 2013

PM

2,5

(µg

/m3)

andere

mineraal stof

niet-zeezout-sulfaat

ammonium

nitraat

zeezout

organische massa

elementair koolstof

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

Bron: VMM (2011) 40

Gemiddelde bijdrage = 1,8 µg/m3

= 7% tot PM10

Bijdrage houtverbranding aan

organisch materiaal in PM10 7 meetplaatsen, 2010-2011

2.06

3.85

3.273.51 3.54

2.99 2.95

0.78

1.35

3.20

1.261.50

1.411.20

0

1

2

3

4

5

6

7

Houtem Gent Hamme Borgerhout Mechelen Lier Retie

µg/m

3

OM(andere) OM(hout)

41 Bron: VMM (2011)

PM10 aan invalswegen,

achtergrond en street canyons 12 meetplaatsen, 2011-2012

42

0

5

10

15

20

25

30

35

40

invals

weg

achte

rgro

nd

canyon

invals

weg

achte

rgro

nd

canyon

invals

weg

achte

rgro

nd

canyon

invals

weg

achte

rgro

nd

canyon

Antwerpen Brugge Gent Oostende

PM10 (µg/m3)

EC OM zeezout NO3 NH4 nssSO4 mineraal stof andere

Bron: VMM (2013)

Ultrafijn stof

Hoe wordt ultrafijn stof gemeten?

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

• Kleine bijdrage aan massaconcentratie

• Groot aantal ultrafijne deeltjes (UFP)

→ aantalconcentratie (deeltjes/cm3)

• Nog geen regelgeving UFP

• Geen systematische monitoring

• Recente ontwikkeling van meettoestellen

44

PM2,5

PM10

UFP

Ultrafijn stof

Hoe meten?

• Deeltjesaantal

• Totaal aantal

• Aantal per grootteklasse → deeltjesgrootteverdeling

45

0

2 000

4 000

6 000

8 000

10 000

12 000

14 000

16 000

10 100 1000

dN

/dlo

gDp

(p

arti

cle

s cm

-3)

Particle Diameter (nm)

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

• Toestellen

• CPC op basis van water of butanol

46

(www.machinerylubrication.com)

> 1 µm

TSI 3783 EPC

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

49

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

To

taa

l d

ee

ltje

sa

an

tal (d

ele

tje

sl/cm

3)

Tijdstip van de dag (lokale tijd)

Stedelijke achtergrond - feb

Stedelijke achtergrond - okt

Stadspark - feb

Stadspark - okt

Voorstedelijk - feb

Voorstedelijk - okt

Bron: VMM (in voorbereiding)

Deeltjesaantal vs. zwarte koolstof 4 meetplaatsen in Antwerpen

Oktober 2013

50

R² = 0.8659

R² = 0.7089

R² = 0.5444

R² = 0.737

0

2000

4000

6000

8000

0 5 10 15

Deeltje

saanta

l 100

-200 n

m (

deeltje

s/c

m3)

Zwarte koolstof (µg/m3)

Stedelijke achtergrond

Stadspark

Voorstedelijk

Ring

Bron: VMM (in voorbereiding)

Deeltjesaantal vs. verkeer Bv. stedelijke achtergrond Antwerpen

Februari en oktober 2013

51 Bron: VMM (in voorbereiding)

R² = 0.1763

R² = 0.2634

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 500 1000 1500 2000

De

eltje

sa

an

tal 1

0-2

0 n

m (

part

icle

s/c

m3)

Verkeersintensiteit (voertuigen/30 min)

Stedelijke achtergrond -februari

Stedelijke achtergrond -oktober

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