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Investigation and characterization of traffic related (nano)particles from road runoffs along the river Wien
Armin Rohr
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Erdwissenschaften
Betreuer*in
Thilo Hofmann
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.70239
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11185.14423.331080-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Individualverkehr spielt eine bedeutende Rolle in Sachen Umweltverschmutzung, insbesondere in urbanen Gebieten, in denen eine hohe und stetig wachsende Bevölkerungsdichte zu einem steigenden Fahrzeugaufkommen führt. Infolgedessen werden partikuläre Emissionen aus dem Straßenverkehr (TRPs) Emissionen immer bedeutender, da sie bei unkontrollierter Freisetzung die Gesundheit von Organismen gefährden können. Schwermetallhaltige Partikel werden durch den Straßenverkehr emittiert, bevor sich infolgedessen eine Vielzahl an emittierten Partikeln auf Straßenoberflächen ablagert. Bei Regen werden die abgelagerten TRPs zusätzlich zu den Partikeln in der Luft eluiert und über den Straßenabfluss weitertransportiert. Dadurch können TRPs so in Böden am Straßenrand, in Oberflächengewässern sowie deren Sedimenten und in Kläranlagen landen. Hauptquellen durch die TRPs erzeugt werden sind Abgasemissionen sowie Reifen- und Bremsenabrieb von Fahrzeugen. Ziel dieser Studie ist es, die Konzentrationen von TRPs in Sedimenten und Gewässern des Straßenabflusses zu bestimmen. Dazu wurden an zugänglichen Stellen eines Straßenabflusssystems der Wiener Westausfahrt entlang des Wienflusses (Verkehrsfrequenz: ~500 Fahrzeugen pro 15min laut Snizek+Partner Verkehrsplanungs GmbH), Proben von Straßenabflusswasser und Sedimenten genommen. Partikel wurden mit fünf unterschiedlichen Reagenzen aus Wasser und Sedimenten extrahiert. So wurden neben Reinstwasser (UPW) auch Partikelextraktionen mit 1mM Na4P2O7 (Natriumpyrophosphat), 1mM Na2C2O4 (Natriumoxalat), sowie mit den beiden Tensiden 1% Natriumdodecylsulfat (SDS) und 1% FL-70 durchgeführt. Durch Zentrifugation wurden Suspensionen mit einer theoretischen Trenngrenze von 10µm und 1µm Partikelgröße gewonnen. Wasser und Sedimentsuspensionen wurden analysiert, um die Verteilung (Größe, aber auch räumliche Verteilung) der schwermetallhaltigen TRPs zu bestimmen. Extrahierte Suspensionen und Referenz-Reifenmaterial wurden aufgeschlossen und die Metallkonzentrationen der Suspensionen mittels konventioneller ICP-MS gemessen. Dies ermöglicht es, die Wirkung der Reagenzen auf die extrahierten Partikel, aber auch die räumliche Verteilung der TRPs zwischen verschiedenen Probenahmestellen, zu bewerten. Die Metallkonzentrationen in den Suspensionen wurden, anhand veröffentlichter Daten, mit derer lokaler Oberböden und der oberen Erdkruste verglichen. Multi-Element-Einzelpartikel-ICP-MS (ME-spICP-MS) wurde durchgeführt, um Aufschluss über Metalassoziationen in den extrahierten Partikeln zu erhalten. Potenzielle TRPs wurden anhand ihres chemischen Fingerabdrucks und Massenverhältnisse charakterisiert. Angewandte Massenverhältnisse waren La/Ce, Ba/Sb, Ba/Pb, Sb/Pb und Cr/Mn, da sie gleichzeitig in Brems- und Reifenabriebpartikeln aber auch konstant in der Natur (z.B. Tonminerale) vorkommen. Katalysatorprodukte wurden ebenfalls mittels ME-spICP-MS bestimmt und durch die Anwesenheit von Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Platin (Pt) sowie Cer (Ce) definiert. Morphologien der dispergierten Kolloide wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) beobachtet. Ergebnisse zeigen eine signifikante Veränderung der chemischen Zusammensetzung in den untersuchten Sedimentproben gegenüber dem natürlichen Hintergrund, die sehr wahrscheinlich durch die Belastung von Straßenverkehrsemissionen verursacht wurde. Potenzielle TRPs konnten anhand ihres chemischen Fingerabdrucks und ihres Massenverhältnisses sowohl im Abflusswasser- als auch in den Sedimentproben nachgewiesen werden. Verschiedene Extraktionsverfahren weissen eindeutige Variationen in den Partikelkonzentrationen auf. Jedoch konnte so weit nicht beobachtet werden, dass ein bestimmtes Extraktionsverfahren, erhöhte Partikelkonzentrationen betreffend aller beobachteten Metalle, gleichzeitig begünstigt. Die angewandte Methode zur Quantifizierung von TRPs in Straßenabflüssen bietet neue Erkenntnisse zur Identifizierung von Reifen- und Bremsenabrieb, sowie von Katalysatorpartikeln in natürlicher komplexer Matrix. Außerdem wurde im Rahmen dieser Studie ein Verfahren zum Aufschluss von reifengummihaltigen Sedimenten entwickelt.
Abstract
(Englisch)
Individual traffic is a major source of pollution, especially in urbanized areas where a high and continuously growing population density leads to an increasing volume of vehicles. As a result, emissions of traffic related particles (TRPs) are becoming increasingly important and significant as they may become a threat to health of organisms under uncontrolled release. Heavy metal containing particles are getting emitted by road traffic and some are deposed on road surfaces after they go airborne. During rain events deposed TRPs, in addition to particles in air, are eluted and getting transported in road runoff. TRPs may thus end up in roadside soils, surface water sediments, surface waters and wastewater treatment plants (WWTPs). TRPs are mainly produced through exhaust emissions as well as tire wear and brake wear from vehicles and contain a certain number of heavy metals. The aim of this study is to determine the concentrations of TRPs in road runoff sediments and waters. Therefore, samples of road runoff waters and sediments were taken at accessible spots at a road runoff system of Vienna’s west exit along the river Wien, with a measured traffic frequency up to 500 vehicles per 15min (Snizek+Partner Verkehrsplanungs GmbH). Particles from waters and sediments were extracted using 5 dispersing agents. Indeed, in addition to ultra-purified water (UPW) particle extractions were also performed using 1mM Na4P2O7 (Sodium Pyrophosphate), 1mM Na2C2O4 (Sodium Oxalate), as well as with the two surfactants 1% Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) and 1% FL-70. Suspensions with theoretical size cut-off of 10µm and 1µm particle were obtained by centrifugation. Waters and soil suspensions were analyzed to determine the distribution (size but also spatial distribution) of heavy metal containing TRPs. Firstly, extracted suspensions and reference tire material have been total digested and metal concentrations of suspensions were measured by conventional inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). It permits to evaluate the effect of the extraction agents on the extracted particles but also the spatial distribution of the TRPs between different sampling spots. Metal concentration in suspensions was also compared to published data of element concentration in local topsoil and upper crust. Multi element-single particle ICP-MS (ME-spICP-MS) was performed to get a better understanding on the element associations within extracted particles. Potential TRPs were characterized on their chemical fingerprint and element mass ratios. Applied mass ratios were La/Ce, Ba/Sb, Ba/Pb, Sb/Pb and Cr/Mn which were chosen as this metal associations appear especially in brake and tire wear particles but may occur also naturally (e.g., clay minerals) with different and constant mass ratios. Catalyst products have also been determined by ME-spICP-MS and were defined by the presence of rhodium (Rh), palladium (Pd), platinum (Pt) as well as cerium (Ce). Morphologies of dispersed colloids were observed through scanning electron microscopy (SEM). Results show a significant change of chemical compositions in the analyzed sediment samples against the natural background likely caused through the exposure to road traffic emissions. Potential TRPs could have been identified on their chemical fingerprint and mass ratio in both runoff waters and sediments samples. Different extraction protocols show variations in particle concentrations but a constant trend for one certain extraction protocol on delivering enhanced metal concentrations cannot be observed. The applied method to quantify TRPs in road runoff offers new insights for the identification of tire- and brake wear as well as catalyst particles in natural matrices. Also, during this study a protocol to digest sediments containing tire rubber was developed.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Deutsch)
Verkehrsemissionen Reifenabrieb Bremsabrieb Kontamination Umwelt Schwermetalle PGE Nanopartikel
Autor*innen
Armin Rohr
Haupttitel (Englisch)
Investigation and characterization of traffic related (nano)particles from road runoffs along the river Wien
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchung und Charakterisierung von verkehrsbedingten (Nano-)Partikeln aus Straßenabflüssen entlang des Wienflusses
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
X, 60, XVI Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thilo Hofmann
Klassifikation
38 Geowissenschaften > 38.95 Umweltgeologie, Geoökologie
AC Nummer
AC16466440
Utheses ID
60207
Studienkennzahl
UA | 066 | 815 | |
Universität Wien, Universitätsbibliothek, 1010 Wien, Universitätsring 1