Bestimmung der inhalativen Exposition gegenüber Nanomaterialien am Arbeitsplatz

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1 Christof Asbach Bestimmung der inhalativen Exposition gegenüber Nanomaterialien am Arbeitsplatz Institut für Energie- und Umwelttechnik e.v. Lutreinhaltung & Filtration Fachtagung Nanotechnologie traditioneller Arbeitsschutz für innovative Materialien? Dresden, 30. September 2014

2 Warum Expositionsermittlung? Risiko = Exposition x Gefährdungspotenzial physikochemische Messung Modellierung E X P O S I T I O N R I S I K O G E F Ä H R D U N G S - P O T E N Z I A L in vitro / in vivo Biotesting Unsicherheit Courtesy of H. Krug Christof Asbach 2

3 Christof Asbach 3 Warum Expositionsermittlung? Quelle: Quelle: Mike Rogoff auf Exposition minimieren heißt Risiken minimieren! G E F Ä H R D U N G S - E X P O S I T I O N P O T E N z I A L R I S I K O

4 Wann kann eine Exposition auftreten? Quelle: Uni DuE, IVG Herstellung Exposition am Arbeitsplatz Quelle: reifenhauser-et.com Weiterverarbeitung Quelle: /ihop.nu/ronja/ files/2011/03/recycling.jpg Recycling Quelle: us.123rf.com Produktnutzung Christof Asbach 4

5 Mögliche Aufnahmepfade oral dermal inhalativ Christof Asbach 5

6 Mögliche Aufnahmepfade oral dermal inhalativ Christof Asbach 6

7 Übersicht Hintergrund zur Expositionserfassung für Nanomaterialien Gestufter Ansatz zur Bestimmung der Exposition gegenüber luftgetragenen Nanomaterialien Messtechnik für expositionsbezogene Messungen Stationäre Messtechnik Tragbare Messtechnik Personengetragene Messtechnik Ergebnisse von Arbeitsplatzmessungen Zusammenfassung Christof Asbach 7

8 Problem: Hintergundpartikel Beispiel: Größenverteilung atmosphärischer Partikel Beispiel: Größenverteilung von Nanomaterialien S. Anand et al., J. Aerosol Sci., 52: 18-32, 2012 Ubiquitärer Hintergrund und synthetische Nanomaterialien können gleiche Größen haben Unterscheidung vom Hintergrund essentiell für Expositionserfassung Christof Asbach 8

9 Expositionserfassung Tier 2a: Screening Tier 1 Data Gathering yes no? Can the release of nanoscale particles into the workplace air bereasonably excludedduring production, handling or prcessing? Tier 2a.1 Screening (e.g. with CPC) Tier2b permanent monitoring no? 1 Maybe Tier 2a.2 temporary monitoring yes 1 Significant increase of concentration over background? no? 1? 1 no yes yes Tier 3 Expert Assessment (e.g. with SMPS, CPC, filter sampler, offline analysis) no 2 2 no ENM from activity; chemical identity of ENM known; their origin is elsewhere yes? Clear evidence of chemcial identity of the ENM? Gleichzeitige oder sequentielle Messung der Partikelkonzentration im Hintergrund Take additional risk management measures to mitigate exposure Are risk management measures efficient? yes? no Document and archive Back to tier 2 Check after 2 years or in case of changes Christof Asbach 9

10 Expositionserfassung Tier 2b: Monitoring yes Tier 1 Data Gathering no? Can the release of nanoscale particles into the workplace air bereasonably excludedduring production, handling or prcessing? Tier 2a.1 Screening (e.g. with CPC) Tier2b permanent monitoring no? 1 Maybe Tier 2a.2 temporary monitoring yes 1 Significant increase of concentration over background? no? 1? 1 no yes yes Tier 3 Expert Assessment (e.g. with SMPS, CPC, filter sampler, offline analysis) no 2 2 no ENM from activity; chemical identity of ENM known; their origin is elsewhere yes? Clear evidence of chemcial identity of the ENM? Take additional risk management measures to mitigate exposure Are risk management measures efficient? yes? no Back to tier 2 Document and archive Check after 2 years or in case of changes Christof Asbach 10

11 Expositionserfassung Tier 1 Data Gathering Tier 3: Expertenmessung yes Tier 2a.1 Screening (e.g. with CPC) no? Can the release of nanoscale particles into the workplace air bereasonably excludedduring production, handling or prcessing? Tier2b permanent monitoring no? 1 Maybe Tier 2a.2 temporary monitoring yes 1 Significant increase of concentration over background? no? 1? 1 no yes yes Tier 3 Expert Assessment (e.g. with SMPS, CPC, filter sampler, offline analysis) no 2 2 no ENM from activity; chemical identity of ENM known; their origin is elsewhere yes? Clear evidence of chemcial identity of the ENM? Gleichzeitige oder sequentielle Messung der Partikelkonzentration im Hintergrund Take additional risk management measures to mitigate exposure Are risk management measures efficient? yes? no Document and archive Back to tier 2 Check after 2 years or in case of changes Christof Asbach 11

12 Messgeräte Tier 2 Handheld Condensation Particle Counter C Bestimmt die Anzahlkonzentration >10 nm C Klein und tragbar, 6-8 h Batterielaufzeit C Genauigkeit ± 5% (Asbach et al., Ann. Occup. Hyg., 56: , 2012) D Begrenzt auf Konzentrationen < 100,000 #/cm³ D Alkoholreservoir muss alle 6-8 h nachgefüllt werden nicht geeignet als permanenter Monitor Diffusionsauflader C Bestimmt die Anzahlkonzentration, lungendeponierbare Oberflächenkonzentration und mittlere Partikelgröße C Klein und tragbar, 8 h Batterielaufzeit, 230 V möglich C Kann kontinuierlich über lange Zeit betrieben werden D Limitiert auf Größenbereich nm (sonst ungenauer) D Genauigkeit ± 30% (Kaminiski et al., J. Aerosol Sci., 57: , 2013) Christof Asbach 12

13 Messgeräte Tier 3 Elektrische Mobilitätsspektrometer Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) C Anzahlgrößenverteilungen ~ nm C Höchste Genauigkeit (Kaminiski et al., J. Aerosol Sci., 57: , 2013) C Hohe Größenauflösung D Niedrige Zeitauflösung (mehrere Minuten) D Aerosol muss stabil sein Fast Mobility Particle Sizer (FMPS) C Anzahlgrößenverteilungen nm C Hohe Zeitauflösung (1 s) D Niedrigere Genauigkeit und Größenauflösungauflösung als SMPS D Eher geringe Datenqualität >100 nm Christof Asbach 13

14 Messgeräte Tier 3 Elektrostatische Partikelsammler (ESP) Sammelt Partikel einer Polarität auf Substrat Substrate können aus Silizium (für REM), TEM Netz, Glaskohlenstoff (for TXRF), etc. sein Depostionsfleck kann mittels der el. Feldstärke eingestellt werden Bisher existiert nur ein einziger ESP, der die Partikel auflädt PSL Welding CNT Dixkens and Fissan, Aerosol Sci. Technol. 30: , 1999 Miller et al. Aerosol Sci. Technol., 44: , 2010 Christof Asbach 14

15 Feldmessungen gemäß dem gestuften Ansatz Messungen an einer Pilotanlage am IUTA zur Gasphasensynthese von Nanopartikeln (bis ca. 5 kg/tag) Christof Asbach 15

16 Messorte Messungen gemäß Stufe 2 (Screening und Monitoring) und Stufe 3 Messorte Stufe 2: Am Reaktor/in der Warte während der Synthese Im Absackbereich während der Absackung An offener Verrohrung während der Reinigung Christof Asbach 16

17 Messorte Stufe 3 Verrohrung Filter Plasma-Reaktor Absackbereich Christof Asbach 17

18 Monitoring Monitore (minidiscs) installiert unter der Decke im EG (Gitterrost) und oberhalb potenzieller Leckagen und in Ablufteinlass Absackung Später 1. OG bei Rohrreinigung Reaktor Abluft Christof Asbach 18

19 Messstation für Hintergund ESP mit Auflader Gemeinsamer Aerosoleinlass FMPS NSAM SMPS Christof Asbach 19

20 Monitoringergebnisse (minidisc) Number Concentration [#/cm³] 1.8E E E E E E E E E+04 Ventilation Reactor Bagging/Pipe cleaning :45 10: :15 16: :10 12:45 0.0E : : : : :24 Time Christof Asbach 20

21 Monitoring (minidisc) und Hintergrund (FMPS) Number Concentration [#/cm³] 1.8E E E E E E E E+04 Ventilation Reactor Bagging/Pipe cleaning Background outside enclosure :45 10: :15 16: :10 12: E E E E E E E E E E E : : : : :24 Time Christof Asbach 21

22 Monitoring (minidisc) Number Concentration [#/cm³] 1.8E E E E E E E E+04 Ventilation Reactor Bagging/Pipe cleaning Start of work day Heating up of reactor Nanoparticle production Bagging Artificial leak Tube Cleaning 2.0E E+00 Background measurement Background measurement : : : : :24 Time Christof Asbach 22

23 Künstliche Leckage Es wurde keine Freisetzung aus der Anlage erwartet Daher wurde eine Leckage simuliert, indem gesundheitlich unbedenkliche Partikel (PSL and NaCl) in den Arbeitsplatz eingebracht wurden 12:09 13:14: 143 nm PSL; 16,000 #/cm³ 13:14 14:10: Atomizer aus 14:10 15:12: NaCl, Mode 195 nm, 3.6*10 6 #/cm³ Christof Asbach 23

24 Künstliche Leckage Leckage Atomizer Christof Asbach 24

25 Auswertung basierend auf minidisc am Reaktor Hintergund vor PSL ± 1120 #/cm³ Konzentration während PSL ± 2025 #/cm³ Hintergrund nach PSL/vorNaCl ± 1420 #/cm³ Konzentration während NaCl ± 4270 #/cm³ Hintergrund nach NaCl ± 1549 #/cm³ 2.0E E+05 PSL 143 nm Atomizer off NaCl Number Concentration [#/cm³] 1.6E E E E E E E E+04 Ventilation Reactor Bagging E+00 10:30 11:42 12:54 14:06 15:18 16:30 Time 0 Christof Asbach 25

26 Auswertung basierend auf minidisc am Reaktor Hintergund vor PSL 32,794 ± 1120 #/cm³ Konzentration während PSL 37,437 ± 2025 #/cm³ Hintergrund nach PSL/vorNaCl 40,897 ± 1420 #/cm³ Konzentration während NaCl 46,435 ± 4270 #/cm³ Hintergrund nach NaCl 40,244 ± 1549 #/cm³ Mittelwert Hintergrund PSL 36,845 ± 4331 #/cm³ Mittelwert Hintergrund NaCl 40,556 ± 1493 #/cm³ PSL Konz. Hintergund = 591 #/cm³ <3*s Ł Nicht signifikant NaCl Konz. Hintergund = 5879 #/cm³ >3*s Ł Signifikant Christof Asbach 26

27 Exposition [ ] Speziell in der Medizin und Toxikologie steht Exposition für das Ausgesetztsein von Lebewesen gegenüber schädigenden Umwelteinflüssen wie Krankheitserregern, toxischen chemischen Elementen oder Verbindungen oder physikalischen Einflüssen wie Hitze, Lärm oder Strahlung. Ein Bergarbeiter beispielsweise ist gegenüber Steinstaub exponiert, ein Passivraucher gegenüber Zigarettenrauch. [ ] und ein Nanoarbeiter gegenüber Nanopartikeln Christof Asbach 27

28 Räumliche Verteilung der Exposition Anzahlkonzentration nm 50 nm Mittlere Partikelgröße Christof Asbach 28

29 Persönliche (individuelle) Exposition Persönliche Exposition eines individuellen Arbeiters kann räumlich variieren Persönliche Exposition muss im Atembereich des Arbeiters gemessen werden Atembereich definiert als 30 cm Halbkugel um Mund und Nase Erfordert personengetragene Monitore oder Sammler Nano-spezifische, personengetragene Monitore und Sammler sind erst seit sehr kurzer Zeit verfügbar EN 1540 Workplace Atmospheres Terminology, CEN (1998) Christof Asbach 29

30 Christof Asbach 30

31 Personal Sampler Zefon Nanoparticle Respiratory Deposition (NRD) sampler D p50 = 0.3 µm D p50 = 4 µm Ziel: Nachstellen der Lungendeposition Cena et al., Env. Sci. Technol. 45: , 2011 Christof Asbach 31

32 Personal Sampler Personal Nanoparticle Sampler (PENS) sampler (prototype) D p50 = 4 µm D p50 = 0.1 µm C.J. Tsai et al., Env. Sci. Technol. 46: , 2012 Christof Asbach 32

33 Personal Sampler Thermalpräzipitator Weight: 140 g Homogene, nahezu größenunabhängige Deposition auf Siliziumsubstraten Analyse der Größenverteilung und/oder chemischen Zusammensetzung mit REM/EDX N. Azong-Wara et al., J. Nanopart. Res. 15:1530, 2013 N. Azong-Wara et al., J. Nanopart. Res. 11:1611, 2009 Christof Asbach 33

34 Partector (naneos) Größe einer Zigarettenschachtel Misst die lungendeponierbare Oberflächenkonzentration Größenbereich (nominell) 10 nm 10 µm Batteriezeit 8 h Christof Asbach 34

35 minidisc/discmini & NanoTracer Betrieb am Gürtel mit Probenahmeschlauch Misst die Anzahl- und lungendeponierbare Oberflächenkonzentration, mittlere Partikelgröße Christof Asbach 35

36 Genauigkeit der persönlichen Monitore Gute Genauigkeit (±30%) für nm Partikel Christof Asbach 36

37 Persönliche Exposition in IUTA Pilotanlage LDSA Concentration [µm²/cm³] max. ca µm²/cm³ Worker 1 (Partector) Einschalten Worker 2 des (Partector) Rußpulverförderers minidisc (Background) in schlecht gedichteter Einhausung In Büro :36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 Christof Asbach 37

38 Zahnarztexposition Kooperation mit Offensichtliche Exposition Christof Asbach 38

39 Personal exposure Personal exposure: particle number Background: particle number Personal exposure: particle size Background: particle size 1.2E Particle Number Concentration [#/cm³] 1.0E E+05 Formgebung mit Aufrauhen der Diamantschleifer Oberfläche mit und 100 µm Diamatnschleifer Polierscheiben (grob) 6.0E E E+05 Formgebung mit groben Polierscheiben Mean Particle Size [nm] 0.0E+00 0 K. Van Landuyt et al. (2014), Acta Biomaterialia 10: Christof Asbach 39

40 Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende Freitag, , ab ca. 15:30 Uhr 15:30 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 18:45: Fahrrad, IUTA MSV Arena Christof Asbach 40

41 Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende Freitag, , ab ca. 15:30 Uhr 15:30 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 18:45: Fahrrad, IUTA MSV Arena 19:00 21:30: MSV Arena 21:30 22:10: Fahrrad, MSV Arena Oberhausen : Christof Asbach 41

42 Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende Freitag, , ab ca. 15:30 Uhr 15:30 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 18:45: Fahrrad, IUTA MSV Arena 19:00 21:30: MSV Arena 21:30 22:10: Fahrrad, MSV Arena Oberhausen 22:10 22:45: Pizzeria Ca. 22:55: Ankunft zu Hause : kontinuierliche Messung der Partikelanzahlkonzentration mit einem minidisc (im Rucksack, Schlauch nach außen) Christof Asbach 42

43 Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende 1.0E+06 Büro Büro, offenes Fenster Büro, geschlossenes Fenster Fahrrad IUTA - MSV Arena Ankunft Stadion vor Spielbeginn 1. Halbzeit Pause 2. Halbzeit nach Abpfiff Fahrrad MSV Arena - OB Pizzeria Anzahlkonzentration [#/cm³] 1.0E E+04 Fahrrad aus Keller geholt Würstchenstand 1.0E+03 15:36:00 16:48:00 18:00:00 19:12:00 20:24:00 21:36:00 22:48:00 Zeit Christof Asbach 43

44 Zusammenfassung Erfassung der Exposition gegenüber luftgetragenen Nanopartikeln erfordert eine Differenzierung des Hintergrundes Eine Vielzahl an Messgeräte existiert, aber keines erlaubt eine Unterscheidung des Hintergrundes Jedes Messgerät ist ein Kompromiss Expositionserfassung benötigt klare, aber pragmatische Strategie Exposition sollte bestenfalls im Atembereich gemessen werden Christof Asbach 44

45 Danksagung Christof Asbach 45

46 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Christof Asbach 46