Platinmetall-Emissionen aus Kfz-Abgaskatalysatoren in der Umwelt

PD Dr. Fathi Zereini (Frankfurt am Main)

Trotz des unbestrittenen Nutzeffekts des Abgaskatalysators setzte bereits kurz nach seiner Einführung eine rege Diskussion über die eventuellen Auswirkungen von Platinmetall-Emissionen auf Mensch und Umwelt ein, da von den emitierten Platinmetallen, insbesondere von Platin, gesundheitliche Folgen befürchtet wurden. Deshalb standen seit 1990, etwa vier Jahre nach Einführung des Katalysators Untersuchungen über Platinmetall-Emissionen im Mittelpunkt unserer Forschungsarbeiten am Institut für Mineralogie der J. W. Goethe Universität Frankfurt. Innerhalb der letzten zehn Jahre erbrachten unsere Forschungsarbeiten grundlegende Kenntnisse über Platinmetall-Emissionen in der Biosphäre, deren wichtigste Ergebnisse hier kurz erläutert werden sollen.
Durch mechanische Beanspruchung des Katalysatormaterials werden Platinmetalle in geringen Mengen in die Atmosphäre freigesetzt. Die emitierten Metalle weisen in Abhängigkeit von der Partikelgröße unterschiedliche Vorbereitungsmuster auf. Grobe platinhaltige Partikel werden durch den Wind in unmittelbarer Umgebung von Fahrbahnen deponiert, während die feinen Partikel sich großflächig verteilen. Neben dem Wind spielt das Oberflächenwasser (Regenwasser) als Transportmittel eine bedeutende Rolle. Infolgedessen treten die Platinmodelle nicht nur im begrenzten Bereich von Fahrbahnen auf, sondern sie verteilen sich grobflächig. Sie befinden sich in unterschiedlichen Konzentrationen sowohl in Böden als auch in der Luft (Luftstaub) und in Gewässern, wobei im Luftstaub die höchsten Konzentrationen auftreten.

Die Analyse von Bodenproben, die im Jahr 1990 entlang der Autobahn A66 Frankfurt - Wiesbaden, entnommen wurden, ergab Pt-Konzentrationen, die schon durchschnittlich um das ca. 10Fache höher lagen als der Hintergrundwert von ca. µg/kg Platin. Damit bestand bereits im Jahr 1990, also ca. 4 Jahre nach Einführung des Drei-Wege-Katalysators, eine anormale Pt Konzentration entlang der untersuchten Autobahn. Diese Ergebnisse lieferten erstmals in Deutschland Hinweise auf das Vorhandensein von Platinmetalle in der Umgebung von Fahrbahnen, die im Zusammenhang mit Abgaskatalysatoren stehen.
Zehn Jahre später war die Pt-Konzentration auf 232 µg/kg gestiegen. Das bedeutet einen Anstieg um das ca. 23Fache innerhalb der letzten 10 Jahre (1990 bis 2000).
Ein ähnliches Verhalten zeigt Platin auch im Luftstaub. Die Meßergebnisse von Luftstaub-Proben aus dem Stadtgebiet Frankfurt dokumentieren einen Anstieg der Pt-Konzentration um das ca. 5Fache innerhalb der letzten 10 Jahre (1988 bis 1998). Ferner stieg die Pt-Konzentration in der Luft von ca. 3 µg/m3 im Jahr 1988 auf durchschnittlich 135 µg/m3 im Jahr 1998. Das bedeutet einen Anstieg um das ca. 46Fache innerhalb der letzten 10 Jahre.

Die Platinmetall-Konzentration im Boden entlang der untersuchten Autobahnen verläuft sprunghaft. Als Ursache kommen mehrere Faktoren in Betracht: Zum Beispiel unterschiedliche Verkehrsmengen zwischen den verschiedenen Autobahn-Anschlußstellen, klimatisch bedingte An- oder Abreicherung der emitierten Partikel (Regenwasser, Wind) sowie die Geländemorphologie (Gefälle, Steigung, Wald, Wiese). Auch das Fahrverhalten könnte eine Rolle spielen, da Bodenproben aus dem Bereich von Beschleunigungsspuren (Autobahn-Auffahrten) relativ hohe Konzentrationen aufweisen. Offensichtlich emitiert der Katalysator bei Beschleunigung und der damit verbundenen Belastung durch steigende Temperatur, höheren Gasfluß und mechanische Belastung auch relativ erhöhte Mengen an Platin. Darüber hinaus lassen unsere Meßergebnisse von Staubproben aus mehreren Parkhäusern im Stadtgebiet Frankfurt darauf schließen, dass Abgaskatalysatoren auch bei Schrittempo und minimaler Motorleistung emittieren. Fahrzeuge mit Drei-Wege-Katalysator emittieren pro Katalysator im Durchschnitt ca. 270 ng /km Platin. Dieser Wert wurde aus Bodenkonzentrationen und Verkehrszahlen errechnet. Berücksichtigt man die Konzentrationen von Platin in den anderen Umweltkompartimenten wie z.B. Straßenstaub und Luftstaub, so ist anzunehmen, dass die Emissionsrate noch weit höher liegt als der errechnet Wert.

Die höchste Konzentration im Boden tritt immer direkt am Autobahnrand unter der Distanzschutzplanke auf und nimmt mit zunehmendem Abstand vom Autobahnrand ab. Etwa 90 % lagert sich auf den ersten 4 m neben der Fahrbahn im Boden ab und nach 10 m Entfernung ist die Konzentration im Boden so gering, dass sie nicht mehr vom Wert für unbelastete Böden abweicht. Ferner wurde festgestellt, dass in den Bodenproben eine signifikante Korrelation zwischen Platin und Rhodium besteht. In der Mehrheit der Proben liegt ein Platin/Rhodium-Verhältnis von ca. 5 zu 1, was dem Verhältnis beider Elemente im Drei-Wege-Katalysator gleichkommt.
Das Korrelationsverhalten von Platin und Rhodium sowie das Verhältnis ihrer Konzentrationen sind Anhaltspunkte dafür, dass der überwiegende Teil der Platinmetall-Emissionen in partikulärer Form durch mechanische Beanspruchung des Katalysatormaterials als Abrieb in die Atmosphäre gelangt. Offensichtlich erfahren die emittierten Partikel nach ihrer Ablagerung keine nennenswerte chemische Umwandlung. Gestützt wird diese Annahme durch Meßergebnisse von Wasserproben aus Entwässerungsanlagen, die eine sehr geringe Löslichkeit von Platin im Wasser unter atmosphärischen Bedingungen belegen. Oberflächenanalytische Untersuchungen zeigen, dass eine direkte Bestimmung der Pt-Spezies in der Umwelt zur Zeit nicht möglich ist, da die Pt-Konzentrationen unterhalb der methodischen Nachweisgrenze liegen.
Die Resultate von Bohrstockproben, die in 1 m Tiefe und in einer Entfernung von ca. 1 m von der Distanzschutzplanke an der Autobahn Frankfurt - Wiesbaden entnommen wurden sowie eine Tiefenprofil von ca. 16 cm von der Autobahn Frankfurt- Mannheim zeigen, dass die Platinmetalle nur in den oberen 20 cm des Bodens in meßbaren Konzentrationen vorhanden sind und ab 20 cm tiefe nicht mehr nachgewiesen werden können. Die höchsten Pt-Gehalte sind direkt an der Bodenoberfläche (bis 4 cm) konzentriert. Die Ergebnisse sprechen auch hier für geringe Löslichkeit wie Platin und Rhodium im Boden. In verschiedenen Laborversuchen konnten wir die geringe Löslichkeit von Platin aus Katalysatormaterial im Boden beobachten. In allen Versuchen überschritt die Platinkonzentration in Bodenlösungen bezogen auf den Gesamtgehalt im Drei-Wege-Katalysator nicht den Wert von 0,5 %. Der Anteil des löslichen Platins im Luftstaub liegt bei ca. 10 %. Da es sich bei der Löslichkeit zum jetzigen Zeitpunkt um keine ökologisch relevanten Mengen handelt, ist eine Gefahr für das Grundwasser durch gelöstes Platin nicht zu befürchten.
Auch wenn Platin aufgrund seiner niedrigen Konzentrationen in der Umwelt nach derzeitigen Erkenntnissen keine akute Gefahr darstellt, so ist dennoch die ständige Kontrolle aufgrund eines zu erwartenden Konzentrationsanstiegs unerläßlich.

Zereini, F. & Alt. F. (1999) (Fels): Emissionen von Platinmetallen - Analytik, Umwelt- und Gesundheitsrelevanz, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1-327.
Zereini, F. & Alt, F. (2000) (Fels): Anthropogenic Platinum-Group Element Emmissions - Their Impact on Man and Environment, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 1-308.