Chemistry in Aerosol Particles. Ultrahigh-pressure liquid chromatography - ultrahigh-resolution mass spectrometry studies on particle size-dependent chemical reactions in aerosol particles
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Aerosole haben einen großen Einfluss auf die menschliche Gesundheit. Insbesondere sehr kleine Partikel können bis tief in die Lunge eindringen und verursachen allergische Reaktionen sowie Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Darüber hinaus spielen Aerosole eine große Rolle für das Klima der Erde. Abgesehen von einem wärmenden Effekt durch Kohlenstoffaerosole (black carbon) haben Aerosole sowohl durch die direkte Interaktion mit elektromagnetischer Strahlung als auch durch die Funktion als Wolkenkondensationskeime einen kühlenden Effekt.
Ein großer Teil der atmosphärischen Aerosole besteht aus organischen Verbindungen. Von diesen organischen Aerosolen ist wiederum ein großer Teil sekundärer Natur, also durch die Transformation flüchtiger organischer Verbindungen zu schwer- oder nichtflüchtigen Verbindungen entstanden. Durch die Kondensation dieser neu gebildeten Verbindungen kommt es zum Wachstum bereits bestehender Partikel, oder – in Abwesenheit von Kondensationskeimen – auch zur Neubildung von Aerosolpartikeln. Damit Partikel als Wolkenkondensationskeime dienen und dadurch einen Einfluss auf das Klima nehmen können, müssen sie eine Größe von mindestens 30 nm bis 100 nm erreichen. Das Wachstum steht dabei in ständiger Konkurrenz zur Koagulation mit größeren Partikeln. Eine Bevorzugung der Bildung schwerflüchtiger Verbindungen in kleinen Partikeln oder an deren Oberfläche im Vergleich zu größeren Partikeln würde zu größeren Wachstumsraten und dadurch einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für das Erreichen der notwendigen Größe führen.
Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Partikelgröße auf chemische Reaktionen in Aerosolpartikeln zu untersuchen. Dazu wurden Aerosole aus den Lösungen der Reagenzien erzeugt, nach einer Reaktionszeit entsprechend ihrer Größe klassifiziert und auf Filtern gesammelt. Im Anschluss wurden die Filterproben extrahiert und mittels Ultrahochleistungs-Flüssigchromatographie in Kopplung mit ultrahochaufgelöster Massenspektrometrie untersucht.
Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Versuchsaufbau und beschreibt die Optimierung der Messmethode. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit geht es um die Untersuchung der Größenabhängigkeit der heterogenen Oxidation von 1,3-Diphenylisobenzofuran. Die Oxidation wurde unter verschiedenen experimentellen Bedingungen untersucht, um Rückschlüsse über die Eigenschaften der Aerosolpartikel zu ziehen, die ausschlaggebend für die Bevorzugung der Oxidation in kleineren Partikeln sind.
Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Diels-Alder-Reaktion von Maleinsäure und 1,3-Diphenylisobenzofuran in Aerosolpartikeln. Die Diels-Alder-Reaktion wurde als Modellreaktion für bindungsknüpfende Reaktionen herangezogen, die bereits in Aerosolpartikeln beobachtet wurden. Auch hier wurden die experimentellen Bedingungen variiert, um Faktoren auszumachen, welche in Abhängigkeit von der Partikelgröße Einfluss auf die Bildung des Diels-Alder-Produkts nehmen. Im Gegensatz zur Oxidationsreaktion deuten hier die Ergebnisse darauf hin, dass die Reaktion in größeren Partikeln begünstigt wird.
Schließlich wurde im vierten Teil ein numerisches Modell angewandt, welches den Umsatz der Diels-Alder-Reaktion in Abhängigkeit von der Partikelgröße berechnete. Mithilfe des Modells wurden die Einflüsse einiger Eigenschaften des Modellsystems untersucht. Darüber hinaus wurde versucht, die experimentellen Ergebnisse durch das Modell abzubilden.