Umweltbelastung durch Stickstoffverbindungen

Application Note16. Okt. 2023

Stickstoff (N2) ist die Grundlage allen Lebens und die Gesamtmenge, die auf der Erde vorhanden ist, ist stets gleich. Er findet sich in der Luft, im Wasser und im Boden und ist elementarer Bestandteil von Menschen, Tieren und Pflanzen. Warum Stickstoff dennoch zu einem Problem werden kann, lesen Sie in diesem Blogbeitrag.

Autor: Rui Protasio, Produktmanager Lasergasdetektion, Axetris Schweiz

Stickstoffverbindungen können eine Gefahr für die Umwelt und das Klima darstellen. Dies ist jedoch nicht auf elementaren Stickstoff in der Luft zurückzuführen, sondern auf reaktiven Stickstoff, der sich mit anderen Stoffen verbindet. Nur wenige natürliche Prozesse und Bakterien können reaktiven Stickstoff erzeugen. Der durch menschliche Aktivitäten erzeugte reaktive Stickstoff hat aber seit Mitte des 19. Jahrhunderts massiv zugenommen. Heute werden die zulässigen Grenzwerte für reaktive Stickstoffverbindungen etwa um das Vierfache überschritten.

Die Umwandlung von N2 im Stickstoffkreislauf

Je nach Land stammen bis zu 70 % dieser reaktiven Stickstoffverbindungen aus der Landwirtschaft. Sowohl industriell hergestellte Düngemittel als auch Gülle enthalten Ammoniak und Ammoniumverbindungen. Diese reagieren mit Wasser im Boden zu Ammoniumionen, die von Bakterien weiterverarbeitet und von den Pflanzen aufgenommen werden. In den meisten Fällen führt der Einsatz von Düngemitteln zu einer Stickstoffüberlastung, da die Pflanzen nur einen kleinen Teil davon aufnehmen können. Der Rest verbleibt als Nitrat in Böden und Gewässern oder wird auch als Lachgas in die Luft abgegeben. Reaktive Stickstoffverbindungen können die Aufnahmekapazität für Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) von Waldökosystemen drastisch verringern und damit auch die Freisetzung anderer klimaschädlicher Gase verstärken.

Luftschadstoff Ammoniak

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In die Luft freigesetztes Ammoniak (NH3) reagiert mit anderen Schadstoffen und bildet so die Grundlage für Feinstaub. Gesundheitliche Auswirkungen sind nicht auszuschliessen, insbesondere Herz-Kreislauf-Beschwerden und Atemwegserkrankungen. Besonders bei Schadstoffen aus Abgasen in Grossstädten wird Feinstaub zu einem ernsten Problem. Aber auch reines Ammoniak in der Luft hat negative Auswirkungen auf die Gesundheit von Menschen, Tieren und ganzen Ökosystemen. Zum einen wirkt Ammoniak ätzend auf Pflanzen, zum anderen führt es zu deren Überdüngung (Eutrophierung) und damit zur Versauerung. In der Landwirtschaft kann sich eine erhöhte Ammoniakkonzentration negativ auf die Gesundheit des Viehbestands auswirken.

Herausforderungen bei der Ammoniaküberwachung

Eine zuverlässige und kontinuierliche Überwachung von Ammoniak erweist sich nach wie vor als schwierig, da es sich um ein sehr reaktives Gas handelt, das leicht an Oberflächen adsorbiert. Zudem ist es oft von einer Gasmatrix umgeben, die in der Regel komplex ist und zu Interferenzen mit anderen Gasen führen kann. Glücklicherweise hat die TDLS-Technologie, die in den LGD-Sensormodulen von Axetris zum Einsatz kommt, in diesem Bereich eine ausgezeichnete Erfolgsbilanz vorzuweisen. Durch den Einsatz von Schmalband-Laserdioden werden die Gasabsorptionslinien selektiv abgetastet, so dass Interferenzen mit anderen Gasen praktisch ausgeschlossen sind. Der innovative LGD Compact NH3 kombiniert diese Technologie mit einer kleinen, leichten Multi-Pass-Gaszelle und einer aktiven Rauschunterdrückung auf Modulationsbasis. Dies minimiert auch den Leistungsverlust durch Verschmutzung. Daher eignet sich dieses LGD-Sensormodul perfekt für eine Vielzahl von Ammoniakanwendungen, bei denen es auf Leistung und Langzeitstabilität ankommt. Insbesondere in der Landwirtschaft liegen die wirtschaftlichen Vorteile auf der Hand, weil die verwendete Messtechnik keine regelmässige Wartung und Kalibrierung erfordert.

Umweltschutz als Mission

Die Axetris-Sensortechnologie ist eine etablierte Instanz bei der Messung von Industrieemissionen und der Überwachung von klimaschädlichen Gasen. Mit dem wachsenden Bewusstsein für den Klimawandel ist vor allem die Messung von klimaschädlichen Gasen zu einer Mission für Axetris geworden. So wurde der erste LGD Compact direkt für die Messung von Methan (CH4) entwickelt. Die Herausforderung bestand darin, auch kleinste Konzentrationen im untersten ppm-Bereich zuverlässig zu erfassen. Dies ist besonders wichtig, da Methan aus Leckagen in der Umgebungsluft schnell stark verdünnt wird.

Dank der optischen Weglänge des LGD Compact von 80 cm konnte eine hohe Empfindlichkeit auch mit Low-Cost-Lasern aus dem Telekommunikationsbereich erreicht werden. Dies bietet auch bei der Messung von Ammoniak grosse Vorteile. Die Geruchsschwelle von Ammoniak ist bereits sehr niedrig und sollte im Mittel 20 ppm nicht dauerhaft überschreiten.

Nach der erfolgreichen Einführung der kontinuierlichen Gasdetektion für diese beiden Gase konzentriert sich die Entwicklung bei Axetris auf die nächsten klimarelevanten Gase. Die Reduktion reaktiver Stickstoffverbindungen wie Lachgas und Stickoxide zeigt grosses Potenzial für den Klimaschutz.