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Ruß

Definition: ein schwarzes, meist pulverförmiges Material, welches hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht oft bei Verbrennungsprozessen entsteht

Englisch: soot, grime

Kategorien: Grundbegriffe, Ökologie und Umwelttechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 29.12.2014; letzte Änderung: 03.11.2018

Ruß ist ein schwarzes, pulverförmiges, manchmal auch hartes oder schmieriges Material, welches oft bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien entsteht, vor allem bei Sauerstoffmangel und bei zu niedrigen Verbrennungstemperaturen. Chemisch gesehen handelt es sich zum größten Teil um elementaren Kohlenstoff in Form von Graphit. Jedoch können je nach der Entstehung des Rußes zusätzlich diverse andere Stoffe enthalten sein, beispielsweise diverse Kohlenwasserstoffe (z. B. unverbrannte oder chemisch etwas veränderte Bestandteile eines Brennstoffs) und mineralische Stoffe wie Sulfate.

Anders als beispielsweise Kohle besteht Ruß aus relativ kleinen Teilchen, deren Größe je nach den Entstehungsbedingungen im Mikrometerbereich oder sogar im Bereich weniger Nanometer liegen kann. Die Oberfläche ist entsprechend groß.

Je nach der Verteilung der Teilchengrößen und auch der Verunreinigung mit weiteren Stoffen werden verschiedene Arten von Ruß unterschieden, beispielsweise Staub- oder Flockenruß, Schmierruß und Glanzruß (Hartruß). In anderen Fällen werden Arten von Ruß nach ihrer Entstehung unterschieden, beispielsweise Dieselruß oder Holzruß. Diverse Eigenschaften von Ruß, beispielsweise die Dichte, Härte, entzündlich kalt und Giftigkeit können je nach den Ausgangsstoffen und den Bedingungen bei der Bildung sehr stark variieren.

Kleine Rußpartikel sind häufig in Abgasen enthalten. Bei entsprechend hoher Konzentration bildet das Abgas dann einen grauen oder gar tiefschwarzen Rauch. Die Rußteilchen (vor allem die größeren) können sich in der Umgebung ablagern und dort schwarze Spuren bilden.

Unerwünschte Rußbildung bei Verbrennungsprozessen

Bei Verbrennungsprozessen, die der Erzeugung von Wärme dienen, ist die Bildung von Ruß meist sehr unerwünscht. Sie führt nämlich nicht nur durch die unvollständige Verbrennung zu einer Einbuße an Wärme, sondern vor allem auch zur relativ hartnäckigen Verschmutzung von Anlagenteilen, wodurch dann der Übergang der Wärme von den Verbrennungsgasen auf das Wärmeübertragermedium (z. B. das Kesselwasser) behindert wird. In der Folge kann die Abgastemperatur der Anlage zunehmen, sodass auch die Abgasverluste entsprechend erhöht sind.

Die Bildung von Ruß wird vor allem unter den beiden folgenden Umständen stark gefördert:

  • Wo kohlenstoffhaltige Brennstoffe unter Sauerstoffmangel verbrannt werden, entsteht neben dem giftigen Kohlenmonoxid häufig Ruß. Dieser Ruß kann allerdings in der Flamme etwas später noch verbrennen, wenn er in sauerstoffreichere Regionen gerät, die immer noch ausreichend heiß für eine genügend hohe Reaktionsgeschwindigkeit sind. Wenn jedoch insgesamt eine unzureichende Menge von Verbrennungsluft zugeführt wird (das Verbrennungsluftverhältnis also sehr klein wird), ist die Rußbildung oft praktisch unvermeidbar.
  • Zu niedrige Verbrennungstemperaturen sind ebenfalls ein wichtiger Faktor. Diese treten beispielsweise auf, wenn eine Flamme der relativ kühlen Wandung eines Heizkessels zu nahe kommt. Die Flammengase werden dann nämlich durch den Kontakt mit dieser Wandung rasch abgekühlt, sodass die weitere Oxidation (Verbrennung) der bis dann gebildeten Rußteilchen sehr stark verlangsamt oder gänzlich gestoppt wird. Auch wenn ein Brennstoff (beispielsweise Holz) zu viel Feuchtigkeit (Wasser) enthält oder aus anderen Gründen einen sehr niedrigen spezifischen Heizwert aufweist, kann die Verbrennungstemperatur zu weit abgesenkt werden.

Im Detail sind die mikroskopischen Prozesse, die in die Bildung von Ruß involviert sind, allerdings sehr komplex. Deswegen ist es nicht trivial, beispielsweise einen Brenner so zu konstruieren, dass die Bildung von Ruß minimiert wird.

Wenn in einem Schornstein eine dicke Schicht von Ruß abgelagert ist (häufig in Form von Glanzruß), führt dies zu einer schweren Brandgefahr. Dieser Ruß kann nämlich unter bestimmten Bedingungen entzündet werden, und dieses Feuer im Schornstein kann enorm hohe Temperaturen entwickeln, wodurch gelegentlich ganze Gebäude abbrennen. Beim Versuch, einen solchen Schornsteinbrand mit Wasser zu löschen, kann der Schornstein bersten. Aus diesen Gründen müssen Schornsteine regelmäßig inspiziert werden, und bei sehr starker Verrußung (z. B. als Folge der Verwendung feuchten Brennholzes) ist es unbedingt notwendig, den Ruß weitgehend zu entfernen. Manchmal ist dies nur durch ein kontrolliertes Abbrennen der Rußschicht unter Aufsicht der Feuerwehr möglich.

Einige Beispiele von Anlagen, bei denen häufig eine gewisse Rußbildung auftritt:

  • Heizkessel, die mit Heizöl betrieben werden, setzen im Verlauf eines Betriebsjahrs meist eine nennenswerte Menge von Ruß an, wobei es allerdings stark auf die Konstruktion des verwendeten Ölbrenners und dessen Anpassung auf den Heizkessel ankommt. Auch die Qualität des Heizöls spielt eine gewisse Rolle. Außerdem sind häufige Brennerstarts z. B. durch Taktbetrieb bei unangemessener Dimensionierung ungünstig. Der entstehende Ruß kann die Abgasverluste wesentlich erhöhen und macht deswegen eine regelmäßige Entfernung notwendig. Es ist auch möglich, dass der Schornstein im Laufe der Zeit mit Ruß belegt wird.
  • Auch bei Holzkesseln können erhebliche Mengen von Ruß auftreten, die auch hier stark von den Verbrennungsbedingungen abhängig sind. Gut getrocknetes Brennholz erzeugt weit weniger Ruß als frisch geschlagenes, welches noch viel Feuchtigkeit enthält.
  • In Dieselmotoren entsteht nach der Kraftstoffeinspritzung immer zunächst eine wesentliche Menge kleiner Rußteilchen innerhalb der Flamme, die im Idealfall allerdings komplett verbrennen (d. h. oxidiert werden), bevor die Temperatur zu stark absinkt. Unter ungünstigen Betriebszuständen (beispielsweise Vollgas bei sehr niedrigen Drehzahlen oder in der Warmlaufphase) können jedoch erhebliche Mengen von Ruß im Abgas auftreten. Die Neigung zur Rußbildung hängt ebenfalls von der Kraftstoffqualität ab; sie ist erhöht, wenn der Dieselkraftstoff eine hohe Menge von Aromaten oder gar polycyclischen Kohlenwasserstoffen (PAK) enthält. Wohlgemerkt entstehen Partikelemissionen nicht nur durch unverbrannten Kohlenstoff, sondern auch beispielsweise durch Sulfatpartikel aus dem Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs. Solche Partikel können ebenfalls Feinstaub bilden, sind aber nicht als Ruß zu bezeichnen. Ihre Entstehung hat auch nichts mit Sauerstoffmangel zu tun. Der Großteil der entstehenden Partikel – sowohl Rußpartikel als auch andere – kann mit einem modernen Rußpartikelfilter aus dem Abgas entfernt werden. Da der Filter sich mit der Zeit zusetzt, muss er regelmäßig regeneriert werden, beispielsweise durch kurzzeitige Erhöhung der Abgastemperatur, sodass der Ruß oxidiert werden kann.
  • Während Ottomotoren, die meist mit Benzin betrieben werden, in der Regel praktisch gar keine Rußpartikel emittieren, können gewisse Mengen sehr kleiner Rußteilchen (mit Durchmessern im Nanometerbereich) gerade bei modernen Motoren mit Direkteinspritzung auftreten. Anders als bei der Saugrohreinspritzung erfolgt die Verbrennung hier in einem Bereich, der noch Tröpfchen flüssigen Kraftstoffs enthält, wobei in der unmittelbaren Umgebung dieser Tröpfchen ein Sauerstoffmangel auftreten kann. Obwohl die entstehenden Rußmengen von der Masse her sehr gering sind, kann die Anzahl der winzigen Teilchen erheblich sein, und genau dieser Aspekt ist für die gesundheitliche Wirkung (siehe unten) von großer Bedeutung.

Nicht immer ist die Bildung von Rußteilchen in Flammen völlig unerwünscht. Beispielsweise leuchtet eine Kerzenflamme hauptsächlich dadurch, dass in ihr winzige heiße Rußteilchen Licht durch Glühemission abstrahlen. Eine an Rußteilchen sehr arme Flamme (beispielsweise bei der Verbrennung von Methanol) erzeugt dagegen kaum Licht. Im Idealfall verbrennen die Rußteilchen allerdings, bevor sie die Flamme verlassen.

Bei einem Ölbrenner kann die Bildung von Ruß durch Verwendung eines deutlichen Luftüberschusses (d. h. eines hohen Verbrennungsluftverhältnisses) deutlich vermindert werden; die Flamme brennt dann blau statt gelb. Leider steigen dadurch aber die Abgasverluste, und die Bildung von Stickoxiden kann ebenfalls zunehmen. Deswegen ist davon abzuraten, einen als “Gelbbrenner” entwickelten Ölbrenner so zu betreiben. Man beachte hierbei auch, dass die in der Flamme leuchtenden Rußteilchen bei korrekter Einstellung später weitestgehend verbrannt werden.

Erzeugung von Ruß für industrielle Anwendungen

Ruß wird in industriellem Maßstab für diverse Anwendungen hergestellt – beispielsweise für die Herstellung von Gummi für Autoreifen und viele andere Produkte. Meistens werden hierfür Erdölprodukte verwendet, und zwar die relativ schweren Rückstände (Steinkohlenteer), die in Erdölraffinerien anfallen. Zusätzlich wird Heizöl oder Erdgas als Brennstoff eingesetzt. Je nach den gewünschten Eigenschaften des Rußes müssen die Details des Herstellungsprozesses angepasst werden.

Gesundheitliche Wirkungen von Ruß

Gesundheitliche Wirkungen treten insbesondere bei Ruß auf, der in die Atemluft gerät. Hierbei können schädliche Wirkungen auf zwei ganz unterschiedliche Weisen auftreten:

  • Je nach den Entstehungsbedingungen kann Ruß mit diversen sehr giftigen, teils auch krebserregenden Stoffen beladen sein, beispielsweise mit polyzyklischen Aromaten (PAK).
  • Wenn die Rußteilchen sehr klein sind (mit Durchmessern von weniger als 10 Mikrometern (10 μm) oder manchmal auch weit unterhalb eines Mikrometers), spricht man von Feinstaub. In diesem Falle können zusätzliche Effekte auftreten, die mehr mit der Teilchengröße als mit der genauen chemischen Zusammensetzung zu tun haben. Feinstaub kann zwar aus sehr unterschiedlichen Substanzen bestehen, jedoch ist Ruß häufig ein wesentlicher Bestandteil des Feinstaubs in Abgasen.

Es muss heute davon ausgegangen werden, dass beispielsweise Dieselruß erheblich gesundheitsgefährdend ist und sogar Lungenkrebs auslösen kann. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat Dieselruß in 2012 als definitiv krebserregend eingestuft. Kleinere Partikel sind diesbezüglich besonders gefährlich, da sie nicht in der Nase herausgefiltert werden und zum Teil recht tief in die Lunge eindringen können. Ruß-Nanopartikel können auch in die Blutbahn gelangen – unter Umständen sogar beim Kontakt mit der Haut.

Messtechnisch lässt sich die Masse des Rußes relativ leicht bestimmen. Jedoch ist mittlerweile klar, dass die Masse des Rußes keineswegs ein gutes Kriterium für die Beurteilung der gesundheitlichen Gefährdung darstellt. (Sich darauf beziehende Abgasgrenzwerte müssen in den nächsten Jahren überarbeitet werden.) Die Anzahl der Partikel, die freilich sehr viel schwieriger zu ermitteln wäre, scheint wesentlich aussagekräftiger zu sein. Selbst wenn ein perfektes Messverfahren die genaue Verteilung der Rußpartikel auf verschiedene Größenklassen ermitteln könnte, wäre deren Gefährdungsgrad bislang nicht zuverlässig einschätzbar, da entsprechende wissenschaftliche Untersuchungen recht schwierig sind. Weitere Forschung wird die diesbezüglichen Kenntnisse hoffentlich wesentlich verbessern.

Klimaschädlichkeit von Ruß

Seit einigen Jahren ist bekannt, dass sehr kleine Rußpartikel, die lange in der Atmosphäre verbleiben, in erheblichem Maß klimaschädlich sind, während größere Partikel diesbezüglich nicht relevant sind, da sie schnell absinken. Die Klimaschädlichkeit pro Kilogramm kann hunderttausende mal höher sein als bei Kohlendioxid, wobei dieser Faktor allerdings entscheidend von der Teilchengröße abhängt. Fahrzeuge mit Dieselmotor können wegen ihrer Rußemissionen weitaus klimaschädlicher sein als benzinbetriebene Fahrzeuge, solange diese Emissionen nicht durch hochwirksame Rußpartikelfilter weitestgehend unterdrückt werden.

Siehe auch: Feinstaub, Rußpartikelfilter, Dieselmotor, Abgas, Abgasverlust
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Ökologie und Umwelttechnik

Kommentare von Lesern

02.08.2017

Mir fällt auf, dass immer nur über die Verbrennungszustände (bei Autos) im Motor geschrieben wird. Ich meine da zum Beispiel, dass beim Beschleunigen solche Zustände auftreten, oder zu wenig Sauerstoff an der Verbrennung beteiligt ist. Ist es nicht auch eine Möglichkeit, dass der Dieselkraftstoff, nachdem er die Raffinerie verlässt, mit der Zeit altert? Und dann dazu neigt, schlechter zu verbrennen?

Als ich meine Kettensäge längere Zeit nicht benutzt habe, sprang sie ganz schlecht an; mit frischen Kraftstoff springt sie aber wieder schnell an. Durch Verkettung entstehen zu große Kraftstoffmoleküle, die unsauber verbrennen. Da muss man doch etwas dagegen tun können, oder kann man das nicht verhindern?

Antwort vom Autor:

Zunächst einmal läuft die Kettensäge vermutlich nicht mit Diesel; normalerweise hat man darin einen Zweitakt-Benzinmotor mit Gemisch-Schmierung. Da sehe ich eher das Problem, dass sich Benzin und Schmieröl entmischen könnten.

Die Kraftstoffmoleküle können sich nicht einfach so bei Zimmertemperatur verketten, um längere Moleküle zu bilden. Dafür bräuchte es eine sogenannte Aktivierungsenergie, für die es bei den normalen Lagertemperaturen nicht reicht – jedenfalls nicht innerhalb der wenigen Wochen oder höchstens Monate zwischen Kraftstoffherstellung und Verbrauch. Die Kraftstoffe enthalten teils auch Additive, die die Lagerfähigkeit verbessern.

Kurzum, ich glaube nicht, dass gealterte Kraftstoffe ein nennenswertes Problem sind.

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