Als Staubmessung wird die messtechnische Erfassung der Massen- oder Anzahlkonzentration von staubförmigen Verunreinigungen bewegter oder ruhender Gase bezeichnet. Für die Staubmessung stehen unterschiedliche Messverfahren zur Verfügung. Sie wird sowohl zur Emissions- als auch zur Immissionsüberwachung durchgeführt. Auch zur Überprüfung und Charakterisierung von Entstaubungsapparaten, wie beispielsweise Filtern, werden Staubmessungen durchgeführt. Die Messergebnisse werden meist in Masse pro Volumen angegeben, Staubmasse und Partikelanzahl können aber auch auf andere Größen bezogen sein.
Grundlagen Die Messung von Stäuben in ruhender Luft oder in strömenden Gasen kann aufgrund unterschiedlicher Notwendigkeiten geschehen. Betreiber genehmigungsbedürftiger Anlagen sind häufig dazu verpflichtet, regelmäßig oder gar kontinuierlich Messungen der emittierten Luftschadstoffe, zu denen Staub zählt, durchzuführen. Genehmigungsbescheide und Verordnungen enthalten Grenzwerte, die einzuhalten sind. Bei deren Überschreitung ist der Anlagenbetreiber angehalten, Maßnahmen zur Emissionsminderung durchzuführen. Bei Verbrennungsprozessen in genehmigungspflichtigen Anlagen ist eine Staubmessung üblicherweise vorgeschrieben. In Deutschland veröffentlicht dazu das Umweltbundesamt auf seinen Internetseiten eine Liste mit eignungsgeprüften kontinuierlich arbeitenden Staubmessgeräten.Umweltbundesamt: Eignungsgeprüfte kontinuierlich arbeitende Emissionsmesseinrichtungen, aufgerufen am 23. September 2018
mini|hochkant|Lufthygienisches Überwachungssystem Niedersachsen: Messcontainer in Emden zur Messung der Hintergrundkonzentration Die Immissionsmessung von Staub unterscheidet zwischen Schwebstaub und Staubniederschlag.Franz Joseph Dreyhaupt (Hrsg.): VDI-Lexikon Umwelttechnik. VDI-Verlag Düsseldorf 1994, ISBN 3-18-400891-6, S. 1050–1051. Beides wird durch die für den Immissionsschutz zuständigen Behörden, die Messnetze zur Erfassung der Immission von Luftschadstoffen zur Überwachung der Luftqualität betreiben, überwacht.Franz Joseph Dreyhaupt (Hrsg.): VDI-Lexikon Umwelttechnik. VDI-Verlag Düsseldorf 1994, ISBN 3-18-400891-6, S. 629–630. Die Erfassung sowohl der Schwebstaubkonzentration als auch des Staubniederschlags dient zur Charakterisierung der Immissionssituation.VDI 3790 Blatt 1:2015-07 Umweltmeteorologie; Emissionen von Gasen, Gerüchen und Stäuben aus diffusen Quellen; Grundlagen (Environmental meteorology; Emissions of gases, odours and dusts from diffuse sources; Fundamentals). Beuth Verlag, Berlin, S. 16. Als sogenannte indirekte Methode zur Emissionsermittlung erlauben Schwebstaub-Immissionsmessungen darüber hinaus mittels Quelltermrückrechnung Aussagen über diffuse Emissionen.VDI 4285 Blatt 3:2015-11 Messtechnische Bestimmung der Emissionen diffuser Quellen; Quantifizierung von diffusen Feinstaubemissionen aus industriellen Anlagen einschließlich landwirtschaftlicher Quellen (Determination of diffusive emissions by measurements; Quantification of diffusive emissions of fine dust from industrial plants including agricultural sources). Beuth Verlag, Berlin, S. 9.
Zur Kontrolle des Schutzes der Beschäftigten finden an besonders exponierten Arbeitsplätzen häufig Messungen von Schadstoffen, darunter auch Staub, statt. Sind Kontroll- oder Grenzwerte überschritten, so sind Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Diese können sowohl aktiver (Quellenabsaugung) als auch passiver Natur (Schutzkleidung) sein.
Auch zur Feststellung der Leistungsfähigkeit von Entstaubungsapparaten werden mithilfe von Prüfaerosolen Staubmessungen durchgeführt.VDI 3491 Blatt 1:2016-07 Messen von Partikeln; Herstellungsverfahren für Prüfaerosole; Grundlagen und Übersicht (Measurement of particles; Methods for generating test aerosols; Principles and overview). Beuth Verlag, Berlin, S. 3.
Die Partikelgrößen bei der Staubmessung bewegen sich zwischen wenigen nm und mehr als 100 µm.VDI 2463 Blatt 1:1999-11 Messen von Partikeln; Gravimetrische Bestimmung der Massenkonzentration von Partikeln in der Außenluft; Grundlagen (Particulate matter measurement; Gravimetric determination of mass concentration of suspended particulate matter in ambient air; General principles). Beuth Verlag, Berlin, S. 5.
Historie Bereits in den 1870er-Jahren sammelte der französische Meteorologe Gaston Tissandier auf zwei Quadratmeter großen Papierbögen den Staubniederschlag, um Größe, Form und Anzahl der Partikel zu bestimmen.Carsten Möhlmann: Staubmesstechnik – damals bis heute. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 65, Nr. 5, 2005, , S. 191–194. Ungefähr zeitgleich hatte John Tyndall die Lichtstreuung an Partikeln beobachtet.Kvetoslav Spurny (Hrsg.): Analytical Chemistry of Aerosols: Science and Technology. CRC Press, Lewis Publishers, New York 1999, ISBN 1-56670-040-X, S. 4. Das auf dem Tyndall-Effekt beruhende Tyndalloskop als Messgerät wurde allerdings erst Mitte der 1930er-Jahre etabliert.Gustav Kühnen, Wolfgang Pfeiffer, Edgar Rudolf: Entwicklung der Staubmeßtechnik am Arbeitsplatz. In: Staub – Reinhalt. Luft. 46, Nr. 4, 1986, , S. 177–181. 1879 entwickelte John Aitken den ersten Kondensationskernzähler. 1898 publizierte der französische Agraringenieur Maximilien Ringelmann eine Methode zur Beurteilung von Abgasfahnen. Die Ringelmann-Skala enthielt Grauwerte, die mit der Opazität der Abgasfahne verglichen wurde.Franz Joseph Dreyhaupt (Hrsg.): VDI-Lexikon Umwelttechnik. VDI-Verlag Düsseldorf 1994, ISBN 3-18-400891-6, S. 981. An südafrikanischen Grubenarbeitsplätzen wurden um 1900 mit Zucker gefüllte Röhrchen eingesetzt, durch welche die mit Staub belastete Luft gesaugt wurde, um anschließend analysiert zu werden. Bedeutende Apparate zur Staubmessung in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren das Konimeter, das 1919 entwickelt wurde, und der Thermalpräzipitator, der 1935Karlheinz Schmitt: Grundlegende Untersuchungen zum Thermalpräzipitator. In: Staub. 19, Nr. 12, 1959, S. 416–421. in die Staubmesstechnik eingeführt wurde.
Die systematische gravimetrische Staubmessung begann im Jahr 1950; ein Standard wurde im Jahr 1971 implementiert.Karlheinz Guldner, Dirk Dahmann, Markus Mattenklott, H.-H. Fricke, Othmar Steinig, Johannes Böhm: Development of conversion factors for results of early gravimetric dust measurements. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 71, Nr. 5, 2011, , S. 191–198. Ebenfalls in den 1950er-Jahren fanden Staubmessverfahren Anwendung, die auf dem Prinzip der Massenkraftabscheidung beruhten.J. Olaf: Staubmeßverfahren. In: Staub. 19, Nr. 6, 1959, S. 221–226. In den 1960er-Jahren wurden Staubmessgeräte entwickelt, die auf dem Prinzip der Abschwächung von Betastrahlen beruhten (radiometrische Staubmessung).Ludwig Düwel: Neuester Stand der Entwicklung von Kontrollmeßgeräten zur Dauerüberwachung von Staubemissionen. In: Staub – Reinhalt. Luft. 28, Nr. 3, 1968, S. 119–127.
Mit der Einführung des Standards PM10 durch die Environmental Protection Agency im Juli 1987James H. Vincent: Aerosol Sampling – Science, Standards, Instrumentation and Applications. John Wiley & Sons, Chichester 2007, ISBN 978-0-470-02725-7, S. 432. wurde im Umweltschutz das Augenmerk auf die Partikelgröße gelenkt. Im Arbeitsschutz existierte seit 1959 mit der Johannesburger Konvention eine Definition für Feinstaub.Franz Joseph Dreyhaupt (Hrsg.): VDI-Lexikon Umwelttechnik. VDI-Verlag Düsseldorf 1994, ISBN 3-18-400891-6, S. 981.
Messverfahren Die Anforderungen an Messverfahren zur Emissions- und Immissionsmessung unterscheiden sich deutlich. Der wesentliche Unterschied liegt in den Konzentrationsbereichen. Auch bedürfen Proben bei der Emissionsmessung häufig noch der Aufbereitung.Günter Baumbach: Luftreinhaltung. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 2. Auflage 1992, ISBN 3-540-55078-X, S. 164. Bei Emissionsmessungen sind häufig noch Bezugsgrößen wie Druck und Temperatur zu ermitteln.Franz Joseph Dreyhaupt (Hrsg.): VDI-Lexikon Umwelttechnik. VDI-Verlag Düsseldorf 1994, ISBN 3-18-400891-6, S. 1116.
Ein Unterscheidungskriterium bei den Staubmessverfahren ist die Frage der Zuführung des staubbeladenen Gases zur Messeinrichtung. Passivsammler nutzen Diffusionsprozesse, damit der Staub auf eine Akzeptorfläche gelangt.VDI 2119:2013-06 Messen von Immissionen; Probenahme von atmosphärischen Partikeln > 2,5 µm auf einer Akzeptorfläche mit dem Passivsammler Sigma-2; Lichtmikroskopische Charakterisierung sowie Berechnung der Anzahlsedimentationsrate und der Massenkonzentration (Ambient air measurements; Sampling of atmospheric particles > 2,5 µm on an acceptor surface using the Sigma-2 passive sampler; Characterisation by optical microscopy and calculation of number settling rate and mass concentration). Beuth Verlag, Berlin, S. 9. Bei aktiven Verfahren wird mithilfe eines Kompressors eine Strömung erzeugt, die das zu beprobende Gas zum Messgerät führt. Dabei ist zu beachten, dass die Kompressoren zu einer erheblichen Lärmbelastung führen können.Dieter Bake, Lothar Laskus: Entwicklung und Einsatz eines leicht transportablen Filtergerätes für Schwebstaubmessungen. In: Staub – Reinhalt. Luft. 38, Nr. 1, 1978, , S. 21–24.
Bei der Staubemissionsmessung ist zusätzlich zu unterscheiden, ob die Probenahme extraktiv oder in situ stattfindet. Bei der extraktiven Probenahme wird aus dem Abgas isokinetisch ein Teilstrom entnommen und zum Messgerät geführt.Jens Linnenberg, Georg Schwedt, Klaus Broschinski: Langzeitbeprobung partikelgebundener und filtergängiger Schwermetallemissionen in Reingasen technischer Feuerungen. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 60, Nr. 5, 2000, , S. 223–227. Bei Messquerschnitten, die mindestens 0,1 m2 betragen, ist eine Netzmessung durchzuführen.VDI 3951:2013-09 Übersicht über wesentliche Regelungen zur Durchführung von Emissionsmessungen (Overview on relevant regulations on the performance of emission measurements). Beuth Verlag, Berlin, S. 14.
Bei den gängigen Staubmessverfahren werden unterschiedliche physikalische Eigenschaften des zu messenden Staubs verwendet, um eine Staubkonzentration, häufig angegeben in Masse pro Volumen, auszugeben. So werden neben der Dichte der Staubpartikel unter anderem deren optische Eigenschaften herangezogen.
mini|300px|Filterstreifen mit abgeschiedenem Staub Bei Messverfahren wie der gravimetrischen oder der radiometrischen Staubmessung werden die im Gas enthaltenen Partikel auf einem Filter abgeschieden. Der Filter mit dem abgeschiedenen Staub wird anschließend analysiert. Diese Analyse kann neben der Wägung oder der radiometrischen Durchleuchtung auch eine chemische Analyse beinhalten.
Gängige Messverfahren sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.