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Gasphasenchemie

Die Bildung von Photooxidantien - insbesondere Ozon - im sogenannten "photochemischen Smog" (auch „Sommersmog“ genannt) ist im Sommer eines der größten umweltpolitischen Probleme. Zur Bildung des photochemischen Smogs kommt es, wenn drei Hauptbedingungen erfüllt sind: Erhöhte Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs, Volatile Organic Compounds), erhöhte Emissionen von Stickoxiden (NOx = NO + NO2) sowie eine intensive Sonneneinstrahlung. Zudem spielen meteorologische Faktoren eine große Rolle. Die Ozonbildung in diesem System resultiert aus sehr komplexen, vom Sonnenlicht angetriebenen Gasphasen­reaktionen der VOCs in Anwesenheit von NOx.

Will man die Entstehung einer Photosmogsituation erklären, sind Wechselwirkungen einer großen Zahl an chemischen, physikalischen und meteorlogischen Prozessen zu berücksichtigen. Computersimulationen (Modellrechnungen) sind dafür ein wichtiges Hilfsmittel und können Informationsgrundlagen für umweltpolitische Entscheidungen liefern. Die Voraussetzung für den Erfolg solcher Simulationsrechnungen ist jedoch ein möglichst genaues Verständnis der oxidativen Abbaumechanismen flüchtiger Kohlenwasserstoffe in der Troposphäre, die wesentlich von Photolyse- und Radikalreaktionen in der Gasphase bestimmt werden. Initiiert werden oxidative Abbauprozesse durch Radikale und reaktive Moleküle wie dem Hydroxylradikal (OH), dem Ozon (O3) und dem Nitratradikal (NO3), wobei die meisten Oxidationsprozesse über OH-Radikale laufen.

In großvolumigen Simulationskammern können Einzelreaktionen und komplexe Reaktionsabläufe, die in der Atmosphäre bedeutsam sind, untersucht werden. Die Physikalische Chemie in Wuppertal beschäftigt sich seit Ende der 70er Jahre mit der Aufklärung der chemischen und physikalischen Eigenschaften flüchtiger organischer Verbindungen in der Gasphase.

Für die Experimente werden in der Regel Reaktionskammern mit Volumina von 0,42 m3 bis 1,08 m3 (siehe Abbildung) verwendet. Die zu untersuchenden Verbindungen werden in den Reaktionskammern mit hochempfindlichen Analysemethoden (z.B. Langpfad-FTIR und -UV Spektrometrie, GC-FID, GC-MS) untersucht. Neben der Messung der IR- und UV- Absorptionsquerschnitte werden die Photolyseraten sowie die Geschwindigkeitskonstanten der Reaktionen dieser Verbindungen mit OH-Radikalen, Ozon und NO3-Radikalen bestimmt. Weiterhin werden die Produkte dieser Reaktionen quantitativ erfasst, so dass ein möglichst vollständiger Abbaumechanismus der Verbindungen aufgestellt werden kann.

Schematischer Aufbau des 1080 l-Quarzglasreaktors
Foto des oben schematisch dargestellten Reaktors; im Vordergrund sind das FTIR-Spektrometer sowie die Transferoptik zu erkennen