Entwicklung optimaler Meß- und Auswertestrategien für die FTIR-spektrometrische Atmosphärenanalytik:
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Düsseldorf
VDI-Verl.
2000
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Autor: Müller, Uwe
Jahr: 2000
INHALTSVERZEICHNIS V
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
Umweltforschung 5
2.1 Klimarelevante Spuren- und Schadgase.................. 5
2.2 Weitere anthropogene Schadstoffemissionen................ 9
2.3 Anforderungen an die Spuren- und Schadgasanalytik.......... 10
Grundlagen FTIR und alternative Messmethoden 12
3.1 Molekülbau und Wechselwirkung mit IR-Strahlung........... 12
3.1.1 Rotations-Schwingungsspektren.................. 13
3.1.2 Qualitative Spektrenaussagea................... 14
3.2 FTIR-Spektroskopie............................ 15
3.2.1 Michelson-Interferometer...................... 15
3.2.2 Vorteile von FT-Spektrometern gegenüber dispersiven Geräten . 17
3.2.3 Fourier-Transformation und Einkanabpektrenberechnung .... 18
3.2.4 Auflösung, Faltungseffekte und Zeroülling............ 20
3.2.5 Lambert-Beer sches Gesetz und Extinktionsspektrenberechnung 22
3.2.6 FTIR-Messaufbau zur Schadgasbestimmung in der offenen At-
mosphäre .............................. 24
3.3 Vergleich mit alternativen optischen Messtechniken........... 27
3.3.1 DOAS................................ 27
3.3.2 Diodenlaser.............................. 28
3.3.3 LIDAR................................ 29
3.3.4 Vergleich der Methoden untereinander.............. 31
Quantitative Spektroskopie 33
4.1 Spektrometerabhängige Einflüsse ..................... 33
4.1.1 Photometrische Genauigkeit mit FT-IR-Spektrometern..... 33
4.1.2 Stabilität der Wellenzahlskala................... 37
4.1.3 Lambert-Beer sches Gesetz und mögliches oichtüneares Extink-
tionsverhalten ............................ 40
4.2 Auswirkungen durch Abweichungen von Standardtemperatur und -druck 41
4.3 Hintergrundproblematik.......................... 46
VT________________________________________________________INHALTSVERZEICHNIS
4.3.1 Experimentelle Methoden ..................... 46
4.3.2 Methoden zur Berechnung eines Hintergrundspektrums..... 47
4.4 Komponentenerkennung.......................... 56
4.5 Mathematische Auswerteverfahren für die F TIR-Fernsondierung .... 62
4.5.1 Univariate Auswerteverfahren................... 64
4.5.1.1 Benzolproblematik.................... 65
4.5.2 Multivariate Auswerteverfahren.................. 67
4.5.2.1 Classical Least Squares-Algorithmus.......... 67
4.5.2.2 Querempßndlichkeit mit atmosphärischen Komponenten 71
4.5.2.3 Spektrenbereichsauswahl zur CLS-Auswertung .... 76
4.5.2.4 Alternativen zur CLS-Auswertung........... 82
4.5.2.5 Vor- und Nachteile der multivariaten Verfahren .... 84
5 Erstellung eines Expertensystems 88
5.1 Spektrenvorbearbeitung.......................... 89
5.2 Auswahl der Referenzspektren....................... 91
5.3 Auswertung und Darstellung........................ 92
5.3.1 Segmentierung von Spektralbereichen............... 94
5.4 Ermitteln der besten statistischen Ergebnisse............... 97
6 Kalibriergasmessungea 99
6.1 Existierende FTIR-Gasspektrenbibliotheken............... 99
6.1.1 Spektrenbibliotheken........................ 99
6.1.1.1 QASoft-Spektrenbibliothek............... 99
6.1.1.2 NIST-Spektrendatenbank................ 100
6.1.1.3 EPA-Spektrendatenbank................. 101
6.1.2 Parametersammlungen zur Referenzspektrenberechnung..... 101
6.1.2.1 HITRAN-Datenbank................... 102
6.1.2.2 GEISA-Datenbank.................... 103
6.1.2.3 ATMOS-Datenbank................... 103
6.1.2.4 Spektrenberechnungsprogramme HAWKS, GEISA-PC,
AirSentry und MALT.................. 103
6.2 Motivation für eigene Kalibriermessungen................. 104
6.3 Aufbau einer Kalibriereinrichtung..................... 106
6.4 Messablauf.................................. 109
6.5 Spektrenaufbereitung............................ HO
6.6 Ausweitung und Diskussion........................ 112
7 Messkampagnen H**
7.1 Messkampagne an einer petrochemischen Anlage............. 116
7.1.1 Zielsetzung der Messkampagne................... 116
7.1.2 Aufbau der Oleßnanlage...................... H7
7.1.3 Ergebnisse bzgl. univariater und multivariater Auswertung . . . 118
INHALTSVERZEICHNIS______________________________________________VII
7.1.4 Bewertung der Messkampagne................... 120
7.2 Messkampagne an einer mechanisch-biologischen Abbauanlage..... 122
7.2.1 Zielsetzung der Messkampagne................... 122
7.2.2 Aufbau der Anlage und Funktionsweise der Kompostierung . . . 123
7.2.3 Auswertung der Messergebnisse.................. 126
7.2.3.1 Mietelll......................... 126
7.2.3.2 Miete IV......................... 131
7.2.4 Bewertung der Messkampagne................... 133
8 Zusammenfassung 134
Anhang A 136
Literaturverzeichnis 153
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